Минеральная физика

Наука о материалах, из которых состоит внутренняя часть планеты

Минеральная физика - это наука о материалах, из которых состоит внутренняя часть планет, особенно Земли. Он пересекается с петрофизикой, которая фокусируется на свойствах всей породы. Он предоставляет информацию, которая позволяет интерпретировать поверхностные измерения сейсмических волн, аномалий силы тяжести, геомагнитных полей и электромагнитных полей с точки зрения свойств в глубокие недра Земли. Эта информация может быть использована для понимания тектоники плит, мантийной конвекции, геодинамо и связанных с ними явлений.

Лабораторные работы по физике минералов требуют измерения высокого давления. Наиболее распространенным инструментом является ячейка с алмазной наковальней, в которой используются алмазы, чтобы подвергнуть небольшой образец давлению, которое может приблизиться к условиям внутри Земли.

• 1 Создание высоких давлений
  • 1.1 Ударное сжатие
  • 1.2 Многопозиционный пресс
  • 1.3 Ячейка с алмазной наковальней
• 2 Создание высоких температур
• 3 Свойства материалов
  • 3.1 Уравнения состояния
  • 3.2 Интерпретация сейсмических скоростей
  • 3.3 Другие физические свойства
  • 3.4 Методы исследования кристаллов
  • 3.5 Расчеты из первых принципов
• 4 История
• 5 Ссылки
• 6 Дополнительная литература
• 7 Внешние ссылки

Ударное сжатие

Многие новаторские исследования в области физики минералов включали взрывы или снаряды, которые подвергали образец удару. В течение короткого промежутка времени образец находится под давлением, поскольку через него проходит ударная волна. Этим методом было достигнуто такое же высокое давление, как на Земле. Однако у метода есть недостатки. Давление очень неравномерное и не адиабатическое, поэтому волна давления нагревает образец попутно. Условия эксперимента следует интерпретировать в терминах набора кривых давление-плотность, которые называются кривыми Гюгонио.

Многопозиционный пресс

Многопозиционные прессы включают расположение наковальней для концентрации давления от печать на образце. Обычно в устройстве используется устройство из восьми наковальней из карбида вольфрама кубической формы для сжатия керамического октаэдра, содержащего образец, и печи для керамики или Re-металла. Наковальни обычно помещают в большой гидравлический пресс. Этот метод был разработан Каваи и Эндо в Японии. В отличие от ударного сжатия, прилагаемое давление является постоянным, и образец можно нагревать с помощью печи. Давление около 28 ГПа (эквивалентно глубине 840 км) и температура выше 2300 ° C могут быть достигнуты с использованием WC наковальней и печи с хромитом лантана. Аппарат очень громоздкий и не может достичь такого давления, как в ячейке с алмазной наковальней (ниже), но он может работать с гораздо более крупными образцами, которые можно закалить и исследовать после эксперимента. Недавно для этого типа пресса были разработаны спеченные алмазные наковальни, которые могут достигать давления 90 ГПа (глубина 2700 км).

Ячейка с алмазной наковальней

Схематическое изображение сердечника пресса ячейка с алмазной наковальней. Размер алмаза составляет не более нескольких миллиметров

. Ячейка с алмазной наковальней представляет собой небольшое настольное устройство для концентрации давления. Он может сжимать небольшой (субмиллиметровый) кусок материала до экстремального давления, которое может превышать 3 000 000 атмосфер (300 гигапаскалей ). Это превышает давление в центре Земли. Концентрация давления на вершине алмазов возможна благодаря их твердости, а их прозрачность и высокая теплопроводность позволяют Для исследования состояния образца можно использовать различные датчики. Образец можно нагревать до тысяч градусов.

Достижение температур, обнаруживаемых в недрах Земли, так же важно для изучения физики минералов, как и создание высоких давлений. Для достижения этих температур и их измерения используются несколько методов. Резистивный нагрев является наиболее распространенным и простым в измерении. Приложение напряжения к проводу нагревает сам провод и окружающую среду. Доступно большое разнообразие конструкций нагревателей, в том числе те, которые нагревают весь корпус алмазной наковальни (DAC), и те, которые подходят внутри корпуса для нагрева камеры для образца. На воздухе могут быть достигнуты температуры ниже 700 ° C из-за окисления алмаза выше этой температуры. В атмосфере аргона можно достичь более высоких температур до 1700 ° C без повреждения алмазов. Резистивные нагреватели не достигают температуры выше 1000 ° C.

Лазерный нагрев выполняется в ячейке с алмазной наковальней с помощью Nd: YAG или CO2-лазеров для достижения температур выше 6000k. Спектроскопия используется для измерения излучения черного тела от образца для определения температуры. Лазерное нагревание продолжает расширять температурный диапазон, который может быть достигнут в ячейке с алмазной наковальней, но имеет два существенных недостатка. Во-первых, с помощью этого метода трудно измерить температуру ниже 1200 ° C. Во-вторых, в образце существуют большие градиенты температуры, потому что нагревается только часть образца, на которую попадает лазер.

Уравнения состояния

Для определения свойств минералов в недрах Земли необходимо знать, как их плотность изменяется в зависимости от давления и температуры. Такое соотношение называется уравнением состояния (EOS). Простым примером УС, которое предсказывается с помощью модели Дебая для гармонических колебаний решетки, является уравнение состояния Ми-Грюнхайзена:.

$(d\; P\; d\; T)\; =\; \gamma \; DVCV,\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{dP\}\; \{dT\}\}\; \backslash \; right)\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; gamma\; \_\; \{D\}\}\; \{V\}\}\; C\_\; \{V\},\}$

где $CV\; \{\backslash \; displaystyle\; C\_\; \{V\; \}\}$- теплоемкость, а $\gamma \; D\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; gamma\; \_\; \{D\}\}$- гамма Дебая. Последний является одним из многих параметров Грюнхайзена, которые играют важную роль в физике высоких давлений. Более реалистичным EOS является уравнение состояния Берча-Мурнагана.

Интерпретация сейсмических скоростей

Инверсия сейсмических данных дает профили сейсмической скорости как функции глубины. Их все еще следует интерпретировать с точки зрения свойств минералов. Фрэнсис Берч обнаружил очень полезную эвристику: построив график данных для большого количества горных пород, он обнаружил линейную зависимость волны сжатия скорости $vp\; \{\backslash \; displaystyle\; v\_\; \{\; p\}\}$горных пород и минералов постоянного среднего атомного веса $M\; ¯\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; overline\; \{M\}\}\}$с плотностью $\rho \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; rho\}$:.

$vp\; =\; a\; M\; ¯\; +\; b\; \rho \; \{\backslash \; displaystyle\; v\_\; \{p\}\; =\; a\; \{\backslash \; overline\; \{M\}\}\; +\; b\; \backslash \; rho\}$.

Эта связь стала известна как Закон Берча. Это позволяет экстраполировать известные скорости минералов на поверхности, чтобы предсказать скорости глубже в недрах Земли.

Другие физические свойства

• Вязкость
• Ползучесть (деформация)
• Плавление
• Электропроводность и другие транспортные свойства

Методы исследования кристаллов

Там представляют собой ряд экспериментальных процедур, предназначенных для извлечения информации как из одиночных, так и из порошковых кристаллов. Некоторые методы могут использоваться в ячейке с алмазной наковальней (DAC) или многопозиционном прессе (MAP). Некоторые методы кратко описаны в следующей таблице.

Техника	Тип наковальни	Тип образца	Извлеченная информация	Ограничения
Дифракция рентгеновских лучей (XRD)	DAC или MAP	Порошок или монокристалл	Параметры ячейки
Электронная микроскопия	Ни	Порошок, ни монокристалл	Группа симметрии	Только измерения поверхности
Нейтрон Дифракция	Ни	Параметры ячейки для порошка		Требуется большой образец
Инфракрасная спектроскопия	DAC	Порошок, монокристалл или раствор	Химический состав	Не все материалы являются ИК-активными
Рамановская спектроскопия	DAC	Порошок, монокристалл или раствор	Химический состав	Нет все материалы являются рамановскими.
рассеяние Бриллюэна	DAC	Монокристалл	Модули упругости	Требуется оптически тонкий образец
Ультразвуковая интерферометрия	DAC или MAP	Монокристалл	Модули упругости

Расчеты из первых принципов

Используя квантово-механические численные методы, возможно для достижения очень точных прогнозов свойств кристалла, включая структуру, термодинамическую стабильность, упругие свойства и транспортные свойства. Пределом таких вычислений, как правило, является вычислительная мощность, поскольку время выполнения вычислений в недели или даже месяцы не является редкостью.

Область физики минералов не называлась до 1960-х годов, но его происхождение восходит, по крайней мере, к началу 20 века, и признание того, что внешнее ядро ​​ является жидким, поскольку сейсмические исследования Олдхэма и Гутенберга показали, что это не так. позволяют поперечным волнам распространяться.

Знаковым событием в истории физики минералов стала публикация книги «Плотность Земли», опубликованная физиком-математиком Эрскином Уильямсоном и экспериментатором Лисоном Адамсом. Работая в геофизической лаборатории Института Карнеги в Вашингтоне, они рассмотрели проблему, которая долгое время озадачивала ученых. Было известно, что средняя плотность Земли была примерно вдвое выше, чем у коры, но не было известно, было ли это вызвано сжатием или изменениями в составе внутри. Уильямсон и Адамс предположили, что более глубокая порода сжимается адиабатически (без выделения тепла), и вывели уравнение Адамса – Вильямсона, которое определяет профиль плотности на основе измеренных значений плотности и упругих свойств горных пород. Они измерили некоторые из этих свойств с помощью 500-тонного гидравлического пресса, который создавал давление до 1,2 гигапаскалей (ГПа). Они пришли к выводу, что мантия Земли имеет другой состав, чем кора, возможно, ферромагнезиальные силикаты, а ядро ​​представляет собой некую комбинацию железа и никеля. По их оценкам, давление и плотность в центре составляли 320 ГПа и 10 700 кг / м3, что недалеко от нынешних оценок в 360 ГПа и 13 000 кг / м.

Экспериментальная работа в Геофизической лаборатории выиграла от новаторская работа Перси Бриджмена из Гарвардского университета, который разработал методы исследований высокого давления, которые привели к Нобелевской премии по физике. Его ученик Фрэнсис Берч руководил программой по применению методов высокого давления в геофизике. Берч расширил уравнение Адамса-Вильямсона, включив в него влияние температуры. В 1952 году он опубликовал классическую статью «Эластичность и строение недр Земли», в которой установил некоторые основные факты: мантия состоит преимущественно из силикатов ; существует фазовый переход между верхней и нижней мантией, связанный с фазовым переходом; а внутреннее и внешнее ядро ​​- оба из сплава железа.

• «Преподавание минеральной физики в рамках учебной программы». В авангарде - повышение квалификации геолого-геофизического факультета. Проверено 21 мая 2012 г.