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下地幔温压条件下(Mg,Fe)SiO_3钙钛矿的相稳定性及热状态方程

张莉  
【摘要】:冲击波动态高压技术已成为人们研究、认识地球内部物质组成、状态及其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,采用对冲击压缩后样品进行回收分析的方法,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主要侯选矿物组分钙钛矿结构(Mg,Fe)SiO_3在下地幔温压条件下的相稳定性。这一问题的研究对确定下地幔真实的矿物学组成有十分重要的意义。 本文研究主要取得以下一些认识: (1) 设计了一种新的冲击回收实验装置,在碰撞速度高达6.0km/s的条件下可对样品成功进行回收,为直观分析(Mg,Fe)SiO_3的相稳定性提供了可能。这是实验技术的创新。 (2) 在60~110 GPa冲击压力(估算温度为2400~5000K)范围内进行了五发原始样品为顽火辉石(Mg_(0.92),Fe_(0.08))SiO_3的冲击回收实验,对回收样品进行了X射线衍射(XRD)和红外吸收光谱(IR)分析。结果表明五发回收样品的主相均与原始样品相同,是单链状结构的顽火辉石,而非钙钛矿结构,而且在五发回收样品中均未观察到氧化物(Mg,Fe)O和SiO_2的特征谱线。因此,我们认为钙钛矿结构的(Mg_(0.92),Fe_(0.08))SiO_3在60~110 GPa冲击压力(估算温度为2400~5000K)范围内没有发生化学分解相变。 (3) 应用最新的实验热力学数据,对反应:MgSiO_3(Pv)=MgO(Pe)+SiO_2(St)在1000-3500K和30-150GPa范围内的热力学计算分析结果显示,在压力30GPa以上,沿1000-3500K的等温线钙钛矿的Gibbs自由能比MgO(Pe)+SiO_2(St)混合物的要低,同时钙钛矿的摩尔体积比分解氧化物的要小0.1-0.5 cm~3/mol。因此,热力学计算结果否定该分解反应发生的可能。用最新发现的SiO_2的新相态参数重新计算该反应,结果表明SiO_2的新相态不影响钙钛矿结构MgSiO_3在下地幔条件下热力学性质稳定的结论。 (4) 对之前(Mg,Fe)SiO_3的Hugoniot实验测量结果、声速实验测量结果和本文的冲击回收实验结果,对钙钛矿结构(Mg,Fe)SiO_3相稳定性问题进行了综合分析,确认在140GPa冲击压力下钙钛矿结构的顽火辉石不发生化学分解相变。但是压力-声速实验关系显示在60-90GPa之间声速出现 西南交通大学硕士研究生学位论文 第日页 一个小的阶跃,结合回收样品对比初始样品在X射线衍射(XRD)和红 外吸收光谱(IR)谱线上的一些变化,不排除有结构相变的可能性。 (5)由Hugoniot实验数据得到了钙钦矿结构(Mg,Fe)siO3的热状态方程参 数:对丫介和夕P)q、Y户1.84,q=1.69;等嫡体积模量Kos=260.1(9)oPa, 其压力偏导数Kos’=4 .18(4),其中po=4.199/em3。 (6)通过分析对比,静高压和冲击波动高压实验数据之间具有很好的一致 性,同时说明我们获得的热状态方程在较宽的温度压力范围内具有较高 的可靠性。 (7)钙钦矿(Mgo.92,Feo.o:)5103的状态方程实验数据可以很好地满足PREM 的下地慢密度剖面,因此,我们倾向于钙钦矿为主要成分的下地慢模 型。


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