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下地幔温压下(Mg,Fe)SiO_3钙钛矿的相稳定性及其与铁的化学反应

陈修芳  
【摘要】:本学位论文以冲击压缩技术为手段,采用对冲击压缩后的回收样品进行微观分析的方法,结合高压物理理论分析,研究了下地幔中的主要侯选矿物组分钙钛矿结构的(Mg,Fe)SiO_3在高温高压下的相稳定性及其与铁的化学反应。这一问题的研究将对限定下地幔的矿物学模型和核-幔边界处的物质成份,以及对下地幔和核一幔边界处的地震波速结构的解释提供基础物理依据。 本文的主要研究内容和取得的创新认识如下: (1) 在69~100 GPa冲击压力(估算温度为2600~4300K)范围内进行了初始样品为Mgo+SiO_2的冲击压缩回收实验,这是本文的创新实验设计之一。同时还进行了初始样品为(Mg_(0.92),Fe_(0.08))SiO_3顽火辉石的冲击压缩回收实验。对回收样品的X射线衍射(XRD)分析结果表明,两发MgO+SiO_2回收样品中均观察到SiO_2和镁橄榄石(Mg_2SiO_4)而没有观察到氧化物MgO。同时,两发顽火辉石回收样品中均未出现氧化物(Mg,Fe)O和SiO_2的特征谱线,而只观察到与原始样品相同的单链状结构顽火辉石.结合前人的研究结论,我们认为钙钛矿结构的(Mg_(0.92),Fe_(0.08)SiO_3在69~100 GPa冲击压力(估算温度为2600~4300K)范围内没有发生向(Mg,Fe)O和SiO_2氧化物的分解相变。 (2) 在78~115 GPa冲击压力(估算温度为3000~5000K)范围内进行了两发原始样品为(Mg_(0.92),Fe_(0.08))SiO_3顽火辉石+铁(Fe)的冲击压缩回收实验,这是国际上首次采用冲击波回收技术来研究铁与硅酸盐的反应,是本文的又一创新实验设计。对回收样品的X射线衍射(XRD)分析显示,两发回收样品中均观察到橄榄石(Mg,Fe)_2SiO_4。通过和MgO+SiO_2的冲击回收实验的对比,我们认为铁和钙钛矿型硅酸盐首先反应生成了(Mg,Fe)O和SiO_2-St.,然后,(Mg,Fe)O和SiO_2又发生固体反应形成了橄榄石。因此,在下地幔底部铁和钙钛矿型硅酸盐可以发生反应生成方镁铁矿和斯石英。 (3) 冲击波速度D与波后粒子速度u是冲击波物理实验中可以精确测量的最基础数据,D-u关系的准确拟合对建立材料的高压物态方程、理解材料在冲击载荷下的动态响应特性等有重要作用。本文采用最小绝对值的方法对几类物质的D-u线进行直线拟合,并将其与常用的最小二乘法拟合的结果进行了比较。其结果显示:对所有物质,最小绝对值法拟合的平均绝对误差比最小二乘法拟合的要小;对于实验数据分散性较小的密实材料(金属、离子晶体、氧化物等),两种方法拟合的线性系数一致;而对于实验数据分散性较大的


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