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顽火辉石的状态方程和高压相的稳定性研究

代福  
【摘要】: 冲击波动态压缩技术已成为人们研究、认识地球内部物质组成、状态及性质的重要手段和方法之一,在固体地球科学研究中发挥着重要作用。本学位论文以冲击压缩技术为手段,从测量其Hugoniot物态方程入手,结合高压物理和热力学理论分析,较深入地研究了下地幔中的一种主要候选组分顽火辉石(Mg_(0.92),Fe_(0.08))SiO_3在与下地幔大致相当的温度压力条件下的相态-钙钛矿型结构的相稳定性。这一问题的研究对确定下地幔真实的矿物学组成有十分关键的影响。 本文研究取得的认识主要有以下几点: (1)用阻抗匹配法和电探针技术在80~115GPa压力范围内对平均初始密度为3.05g/cm~3的顽火辉石样品进行了5发Hugoniot状态实验测量。实验结果表明,在80~115GPa压力范围内本文所用顽火辉石的冲击波速度D与粒子速度u可用线性关系:D=3.247+1.626u来描述。从实验Hugoniot线来看,在80~115GPa压力范围内钙钛矿型顽火辉石无相变的迹象。 (2)在Hugoniot线的实验测量中,由于客观条件的限制,不同的人所使用的样品的初始密度不同,这使所得的Hugoniot数据的分散性较大,也给Hugoniot数据的分析、应用带来很大不便,甚至存在一些疑问,这就影响到数据的物理解释。特别对岩石材料,很难获得初始密度完全一致的实验样品,使这一问题更加突出。因此,对不同初始密度样品的Hugoniot数据统一进行分析修正(比如都修正到密实密度之下),对Hugoniot数据的进一步分析是十分必要的。 本文通过对不同初始密度样品冲击压缩Hugongiot数据的系统分析显示,对每种物质而言在其Hugongiot线上均存在一个经验常数β:β=(ρ_0-ρ_(00)P_H/P_H~′)/(ρ_0ρ_(00)(1-P_H/P_H~′)),其中ρ_0,ρ_(00)为同种材料的两种不同初始密度,P_H及P_H~′为压缩到同一密度下的冲击压力。β的数值随材料而异。对金属材料还存在β_(金属)=1.217ρ_0~(-0.884),式中ρ_0为密实密度。利用常数β,可很方便的用公式: 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11页 一 凡一4(二一F川——二月)对不同初始密度的Hugongiot数据进行_ 产 厂。 换算。Grhneisen参数厂与密度产的关系可通过p简单表示为: y=V加河小文中还对卢值为常数的适用范围作了讨论。这是本 文的重要创新点之一。 (3)用(2)中提出的新方法,对前人和本文的顽火辉石 Hugongiot 实验数据进行了初始孔隙度修正。结果显示,不同研究者所得 的Hugongiot数据的分散性大大减小。在50—160GPa的冲击压 力范围内,将不同研究者的实验数据修正到密实密度产。一3.273 g儿m’下所得的 P-p Hugongiot关系具有较好的一致性,基本位 于同一条曲线上。可以认为,从 P-p Hugongiot 数据看,在 50~160GPa 范围内,顽火辉石的高压相是稳定的。对应于密实 密度产。= 3.273 g/cm3 的顽火辉石(Mg。0。,Fe。。s)SO。在 50~140GPa内的D-u关系为: D=3.7刀十1.516U (4)用混合物 Hugongiot线的叠加性原理计算了 MgO(Mw)和引。(St) 混合体系的Hugongiot线,经过与顽火辉石实验Hugongiot数据 对比,无论是从*心关系还是从*一产关系上看两者均有较大差 距。可以认定,在80-140GPa压力范围内,实验Hugongiot数 据所对应的物相不可能是MgO(MW)与SIOZ(St)的混合物。换句 话说,在80—140GPa压力内,顽火辉石的高压相是稳定的,不 可能发生由(咐,刊)引0。叩v 向 吨0你叫个引0。(SO的化学分 解相变。 3)根据本文顽火辉石 Hugoniot实验数据(结合前人的实验数据L 用欧拉有限应变理论计算得到的顽火辉石零压炸弹性模量及其 对压力的一阶导数为:K叮一266GPa,K;,二 4.05。这与众多静压_ 下测量到的数据 KN=262 GPa,厂i。=4.0非常吻合。考虑到静高 压下的数据是在实验中未发现顽火辉石高压相有相变的情况下 得到的。因此,动高压与静高压实验数据的一致性支持了在 80—140GPa压力内预火辉石的高压相保持稳定的观点。


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