下地幔條件下MgSiO3鈣鈦礦的物性研究.pdf

1、高溫高壓物理是研究高溫高壓極端條件下物質行為的一門學科，在高壓極端條件下，物質會表現(xiàn)出迥異的力、熱、電、光等性質。地幔的熱力學對流與地幔的組分和運動狀態(tài)密切相關。但是以人們目前的技術而言，還不能直接獲取地幔物質進行研究，只能通過其它方法反演地幔尤其是下地幔的物質組成。而高溫高壓技術能夠模擬地球內部溫度和壓強環(huán)境，為探索地球深部的物質組成提供了重要的方法和途徑。
　　根據(jù)地球物理、地球化學、礦物學等方面的研究，現(xiàn)已公認下地幔的主要物

2、質是硅酸鎂鈣鈦礦，化學式為(Mg,Fe2+,Fe3+)(Si,Al)O3，因此硅酸鎂鈣鈦礦的狀態(tài)方程和熱彈性參數(shù)的研究對于限定下地幔的礦物組分和溫度分布是非常必要的。盡管硅酸鎂鈣鈦礦中含有FeO、Fe2O3,和Al2O3等多種組分，但是MgSiO3所占比例高達90mol％。因此純MgSiO3鈣鈦礦的狀態(tài)方程和熱彈性的研究對于限定下地幔的礦物具有重要意義。盡管通過動高壓實驗、靜高壓實驗、理論計算對MgSiO3狀態(tài)方程進行了大量研究，但是仍

3、存在爭議，導致地幔模型存在很大的不確定性。
　　本文選取MgSiO3作為研究對象，使用大腔體壓機燒結的高純MgSiO3頑火輝石作為實驗的初始樣品。利用動高壓實驗技術，在80-140GPa沖擊壓力的條件下測量其狀態(tài)方程數(shù)據(jù)。并提出了新的數(shù)據(jù)處理和分析方法，使得MgSiO3的動靜高壓實驗數(shù)據(jù)達到自洽。新的方法的提出不但為動高壓下MgSiO3的高壓相變提供了有力判據(jù)，更重要的是為高壓下鈣鈦礦相MgSiO3的狀態(tài)方程準確獲得提供了重要支持

4、。本文根據(jù)的動高壓實驗數(shù)據(jù)結合前人的實驗結果，分析了下地幔溫度和壓強環(huán)境下鈣鈦礦相MgSiO3的狀態(tài)方程和絕熱體積模量，并與根據(jù)地震波數(shù)據(jù)給出的PREM模型進行了對比，為限定下地幔中MgSiO3的含量提供了重要參考。
　　論文主要創(chuàng)新性工作包括以下三個方面：
　　1、首次以高純MgO和SiO2粉末為原料，人工合成高純度的MgSiO3頑火輝石樣品作為高壓實驗原料進行高壓實驗并得到實驗數(shù)據(jù)。
　　2、提出一種新的方法來分析

5、高壓下的Hugoniot狀態(tài)方程數(shù)據(jù)，得到初始狀態(tài)為高壓相的Hugoniot狀態(tài)方程。重新得出的Hugoniot參數(shù)為：C0=7.973km/s，λ=1.321，熱力學參數(shù)K0S和K0'S與靜高壓結果非常一致。這進一步說明動靜高壓試驗測量結果是自洽的。
　　3、根據(jù)得出的Hugoniot狀態(tài)方程計算出下地幔溫壓環(huán)境下MgSiO3鈣鈦礦的物態(tài)方程，并與PREM模型進行了比較，發(fā)現(xiàn)純MgSiO3鈣鈦礦的密度小于下地幔的密度。說明下地幔