下地幔条件下MgSiO3钙钛矿的物性研究

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高温高压物理是研究高温高压极端条件下物质行为的一门学科，在高压极端条件下，物质会表现出迥异的力、热、电、光等性质。地幔的热力学对流与地幔的组分和运动状态密切相关。但是以人们目前的技术而言，还不能直接获取地幔物质进行研究，只能通过其它方法反演地幔尤其是下地幔的物质组成。而高温高压技术能够模拟地球内部温度和压强环境，为探索地球深部的物质组成提供了重要的方法和途径。
　　根据地球物理、地球化学、矿物学等方面的研究，现已公认下地幔的主要物质是硅酸镁钙钛矿，化学式为(Mg,Fe2+,Fe3+)(Si,Al)O3，因此硅酸镁钙钛矿的状态方程和热弹性参数的研究对于限定下地幔的矿物组分和温度分布是非常必要的。尽管硅酸镁钙钛矿中含有FeO、Fe2O3,和Al2O3等多种组分，但是MgSiO3所占比例高达90mol％。因此纯MgSiO3钙钛矿的状态方程和热弹性的研究对于限定下地幔的矿物具有重要意义。尽管通过动高压实验、静高压实验、理论计算对MgSiO3状态方程进行了大量研究，但是仍存在争议，导致地幔模型存在很大的不确定性。
　　本文选取MgSiO3作为研究对象，使用大腔体压机烧结的高纯MgSiO3顽火辉石作为实验的初始样品。利用动高压实验技术，在80-140GPa冲击压力的条件下测量其状态方程数据。并提出了新的数据处理和分析方法，使得MgSiO3的动静高压实验数据达到自洽。新的方法的提出不但为动高压下MgSiO3的高压相变提供了有力判据，更重要的是为高压下钙钛矿相MgSiO3的状态方程准确获得提供了重要支持。本文根据的动高压实验数据结合前人的实验结果，分析了下地幔温度和压强环境下钙钛矿相MgSiO3的状态方程和绝热体积模量，并与根据地震波数据给出的PREM模型进行了对比，为限定下地幔中MgSiO3的含量提供了重要参考。
　　论文主要创新性工作包括以下三个方面：
　　1、首次以高纯MgO和SiO2粉末为原料，人工合成高纯度的MgSiO3顽火辉石样品作为高压实验原料进行高压实验并得到实验数据。
　　2、提出一种新的方法来分析高压下的Hugoniot状态方程数据，得到初始状态为高压相的Hugoniot状态方程。重新得出的Hugoniot参数为：C0=7.973km/s，λ=1.321，热力学参数K0S和K0'S与静高压结果非常一致。这进一步说明动静高压试验测量结果是自洽的。
　　3、根据得出的Hugoniot状态方程计算出下地幔温压环境下MgSiO3钙钛矿的物态方程，并与PREM模型进行了比较，发现纯MgSiO3钙钛矿的密度小于下地幔的密度。说明下地幔中应该含有原子量大于Mg的元素，很可能是Fe。至于Fe是以FeO，还是以（Mg,Fe)SiO3的方式存在，或者两种方式都有，还需要进一步的理论和实验研究。

著录项

作者
聂新卫;
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作者单位

武汉理工大学;

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授予单位武汉理工大学;
学科物理学
授予学位硕士
导师姓名黄海军;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 P591.1;
关键词
下地幔; 硅酸镁钙钛矿; 状态方程; 热弹性参数;

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