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Fe-O-S高压声速测量及外地核组分的限定性研究

高宇林  
【摘要】: 地震波速数据是人类了解地球内部构造和组成的最主要的途径,而对地球矿物学组分的限定,除了要符合由地震波速数据建立起来的地球模型外,还要符合地球化学成分的宇宙化学模型,更要为高温高压实验所接受。因此,将地球模型中的密度和声速剖面与各种候选矿物集合在高温高压条件下就位测量结果的对比,是目前人们限定地球深部物质组成和了解地球内部物质特性的最主要的方法。因此,本文采用凝聚态物理理论及近年发展起来的高温高压实验技术来对外地核的组分进行限定性研究,这是一个属于学科交叉的研究课题。本文的内容主要包括以下几点: (1)在充分调研国内外外地核研究现状的基础上,根据Alfe等人的建议以及黄海军博士的前期实验结果,在S和O杂质含量不超过10%并与PREM模型给出的密度和声速随压力变化关系基本相符的约束下,根据体积可加性原理及热力学计算,确定Fe/FeO/FeS混合物(Fe/O/S的质量百分比为92.5/2.2/5.3)作为本文实验材料。 (2)高温高压下地球深部候选物质声速的研究,具有非常重要的意义,通过它对地震波速数据的反演,可以更加肯定或者修正已得到的地球内部的重要信息。本文详细介绍了高压声速测量的意义、测量原理及实验方法,并对多种声速测量实验技术进行了详细的对比分析。最后详细介绍了本文采用的带窗VISAR声速测量的原理及技术手段。与常用的光分析技术相比,带窗VISAR测量声速只需使用一块样品,实验装置简单,操作方便;不但可以得到纵波声速,还可以得到体波声速;可以有效提高测量精度。 (3)通过VISAR声速测量技术,使用二级轻气炮在106—232GPa的冲击压强范围内测量了Fe-O-S材料的两发声速数据点,得到了Fe-O-S材料声速—压强曲线。结合黄海军博士前期声速试验数据,我们得到O和S等轻元素在外地核的温压条件下能有效降低铁的密度和提高铁的声速,并且O元素对铁的声速和密度的影响要较S元素高。 (4)在内外核边界330GPa处,Fe-O-S混合物的熔化温度为5400K,由于O和S元素的存在,有效降低了铁的熔化温度。本文重新确定了外地核的温度剖面,并计算了外地核温压环境下Fe-O-S混合物的密度和体波声速,并与PREM模型给出的密度和声速随压力变化关系相比较,基本可以限定:外地核的组分为Fe-O-S的三元体系,且S和O在外地核中的含量是不均匀的,而是成梯度分布;在内外核边界外地核一侧很可能是富硫体系,而核幔边界外地核一侧则是富氧体系。


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