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外地核候选物质的动高压实验研究

胡晓军  
【摘要】:根据地球物理、地球化学、宇宙化学以及高温高压实验等方面的研究结果,现已证明液态地球外核的主要组分是铁,同时还含有约10wt%的轻元素。尽管轻元素在地核中的含量相对较少,但是它们对许多地球深部的物理、化学和动力学等现象却有着至关重要的影响,例如:液态外地核的冷却速率,固态内地核的生长,外地核的成分对流,地核磁流体发电机的形成与运行机制,核幔边界层的化学反应等。综合各方面研究结果,外地核中候选轻元素的研究范围已缩小至5种:硅(Si)、硫(S)、氧(O)、碳(C)和氢(H),并且外地核中至少含有两种轻元素。在上述5种轻元素中,外地核究竟含有它们之中的哪些?各自的含量又是多少?这些问题一直为地球物理学家和地球化学家所关注,也是目前地球物理和地球化学学科的前沿研究课题。 为了深入探索外地核中轻元素的种类和含量,在国家自然科学基金(项目批准号:41074056)和中央高校基本科研业务费专项资金(项目批准号:20410042)的资助下,以及大量文献调研和理论预估的基础上,本文选取(Fe/FeO/FeS混合物,92.5wt%Fe,2.2wt%O,5.3wt%S)样品作为研究对象,利用二级轻气炮实验设备,对其状态方程、高压声速、高压熔化行为等进行了系统性的研究。并结合已有的Fe90O8S2(90wt%Fe,8wt%O,2wt%S)实验数据,构建了一套完整的、自洽的热力学方法来描述外地核温度和压强环境下的Fe-O-S体系的密度和声速,以此来限定外地核中O元素和S元素的含量。文章的主要研究内容和创新点如下: 1.应用六面顶大腔体压机,探索Fe2O3与Fe发生化学反应还原成FeO的温度、压强条件。在压强约2GPa、温度约800°C的条件下,将配置好的高纯Fe2O3、 FeS和Fe粉末压制成致密FeO、FeS和Fe的混合大块体样品,X射线检测表明样品中的Fe3+完全被还原为Fe2+。样品的密度为6.880g/cm3,与体积叠加方法计算的密实样品密度值非常吻合。样品中O的含量为2.2wt%,S的含量为5.3wt%。 2.应用二级轻气炮动高压实验装置,借助电探针技术和反向碰撞技术,在73-233Gpa压强范围内测量了Fe92.5O2.2S5.3体系的Hugoniot状态方程,其Hugoniot参数为:C0=3.710(±0.12)km/s、λ=1.610(±0.04)。并且根据已有的Fe、FeO和FeS的Hugoniot实验数据,用可加性法则计算了Fe92.5O2.2S5.3体系的Hugoniot状态方程,计算结果与实验数据一致。说明在冲击波加载过程中,Fe、FeO和FeS之间没有发生可观测的化学反应。 3.利用反向碰撞技术和光分析技术,并使用DISAR测量仪器,精确地测量了93-208GPa压强范围内Fe92.5O2.2S5.3体系在冲击压缩状态下的纵波声速和体波声速。与已测的Fe90O8S2和Fe在冲击状态下的声速测量结果进行对比,发现O元素和S元素的加入都能使得Fe的体波声速增大,这进一步确认了O元素和S元素存在于外地核中的可能性。对比分析同时发现,O元素对纯Fe体波声速的影响要大于S元素。 4.根据声速测量结果,确定Fe92.5O2.2S5.3体系在164GPa下发生完全熔化,即平衡熔化。根据能量守恒定律,求解得到平衡熔化温度为3500K。以此为参考点,应用Lindemann熔化律外推,得到Fe92.5O2.2S5.3在内外核边界330GPa处的熔化温度为5000K。与已有的实验测量的Fe、Fe-S、Fe-O、Fe-O-S的熔化温度进行比较,发现O元素和S元素对高压下Fe的熔化温度的影响也是不一样的:S元素的含量越多,则纯Fe的熔化温度降低越大。因此在考虑轻元素对Fe的熔化温度的影响时,不仅仅要考虑轻元素的含量,更要考虑轻元素的种类。 5.构建了一套自洽的热力学方法来模拟任一温度和压强环境下Fe-O-S体系的状态方程和体波声速。与实测的冲击状态下Fe、Fe90O8S2和Fe92.5O2.2S5.3的状态方程和体波声速比较,模拟计算结果和实测结果相符合,表明计算方法的合理性以及相关热力学参数的准确性。应用此热力学方法计算了一系列Fe-O-S体系在外地核环境下的密度和声速,并与PREM模型提供的外地核的密度和声速数据进行了对比。在误差范围内,Fe92.5O2.2S5.3体系的密度和声速基本能与PREM模型相匹配,而Fe90O0.5S9.5的密度和声速与PREM模型匹配地更好。这意味着外地核中O的含量最多不能超过2.5wt%,而0.5wt%的O的含量可能更准确一些,即表明外地核是贫O的。 地球化学研究结果表明,外地核中S元素的含量为2-3wt%;根据亲铁元素的金属-硅酸盐分离实验,地球早期吸积环境是相对还原性的,由此推断地核是贫O富Si的。我们从地球物理学角度独立证明了外地核中O的含量不可能超过2.5wt%,而最可能的值为0.5wt%,因此外地核中可能含有0.5wt%的O元素,2wt%的S元素,和8wt%的Si元素。这个推论与最新的核幔边界元素分异实验所给出的结果非常接近。


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