對于外地核中S和Si含量的限定,有效的方法是通過高溫高壓實驗原位測量經(jīng)地球物理和地球化學模型篩選后的地核候選物質(zhì),其在液態(tài)下的密度和聲速,并與外地核的密度和聲速進行比較。然而,對靜高壓技術(shù)而言,在高溫和高壓同時存在的環(huán)境下原位測量液態(tài)材料的密度和聲速仍是一個巨大的挑戰(zhàn),因此這方面相關(guān)的報道很少。在課題組之前的研究基礎(chǔ)上,我們利用動高壓實驗技術(shù),對外地核候選物質(zhì)Fe-11.8 wt.%S和Fe-8.6 wt.%Si在高壓下的熔化行為、液態(tài)狀態(tài)方程、液態(tài)聲速進行了系統(tǒng)研究。利用熱力學模型計算了Fe-S和Fe-Si體系在外地核環(huán)境下的密度和聲速,并結(jié)合地球化學研究結(jié)果,估算了地核中S和Si的含量,為Fe-S-Si三元體系的實驗研究提供了重要的參考。本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新結(jié)果如下:一、針對在反向碰撞技術(shù)中,僅從界面粒子速度隨時間變化的圖像上,難以判斷出材料彈-塑性轉(zhuǎn)變時間這一問題,提出了微分處理方法,即通過粒子速度對時間的導數(shù)準確判定材料發(fā)生彈性卸載、彈-塑性卸載轉(zhuǎn)變點以及塑性卸載的時間,提高了縱波聲速、體波聲速和橫波聲速的測量精度。二、通過對Fe-11.8 wt.%S組分的動高壓實驗所獲得的... 

【文章來源】：武漢理工大學湖北省 211工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：博士

【部分圖文】：

PREM中地核密度、聲速、溫度曲線剖面圖[2]

7O、C、H(圖1.2)。下面將對這些輕元素的研究現(xiàn)狀分別論述。圖1.2不同輕元素研究的文獻量與時間的變化趨勢，其中對于S和Si研究興趣上升尤為明顯，此圖引自文獻[9]1.4.1硅元素(Si)硅元素被認為是地核中最有可能存在的候選輕元素，主要原因是它在常壓環(huán)境下在Fe中的溶解度很高，能夠形成連續(xù)固溶體[22]。Wade等人[23]和Wood等人[24]利用靜高壓實驗對Si在金屬-硅酸鹽的分配系數(shù)進行了研究并結(jié)合早期地球吸積模型，認為原始地球形成初期的環(huán)境呈現(xiàn)還原性，Si在這一時期可能進入到液態(tài)外核中。高溫高壓下Fe-Si體系狀態(tài)方程的研究支持Si是地核中的主要候選輕元素。例如2002年，Lin等人[25]發(fā)現(xiàn)鐵硅合金在84GPa，2400K的范圍內(nèi)先后呈現(xiàn)體心立方(bcc)和六角密堆積(hcp)結(jié)構(gòu)，建議地球內(nèi)核含4wt.%Si。隨后，Lin等人[26]又在室溫高壓條件下測定了不同Si含量Fe-Si體系的密度，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算了在外地核溫度壓力環(huán)境下Fe-Si體系的密度，發(fā)現(xiàn)外地核中如果Si的含量為8-10wt.%，內(nèi)地核為4wt.%，則其密度與PREM模型相匹配。Asanuma等人[27]在242GPa壓力，3600K溫度范圍內(nèi)對Fe-3.4wt.%Si結(jié)構(gòu)進行了研究，認為在內(nèi)地核壓力溫度環(huán)境下Fe-Si體系為hcp結(jié)構(gòu)。Lin等人[28]和Kuwayama等人[29]分別在高溫高壓下對Fe-7.9wt.%Si和Fe-9.9wt.%Si的結(jié)構(gòu)進行了研究，他們認為除了hcp結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e-Si體系還呈現(xiàn)B2結(jié)構(gòu)(體心立方結(jié)構(gòu)，中間原子為Si，其余原子為Fe)。在2015年Tateno等人[30]利用DAC技術(shù)對高

15加熱方法只適用較高溫度環(huán)境。DAC實驗中進行光的散射、衍射、吸收以及電學性質(zhì)、磁性的測量。在高壓下可以原位測量晶體結(jié)構(gòu)、彈性系數(shù)、體模量、能帶結(jié)構(gòu)變化、晶格振動等眾多物理量。雖然在應用DAC裝置實驗時可以達到非常高的壓強，但是樣品的尺寸非常小，給實驗時裝置的組裝帶來困難。圖2.1DAC裝置圖2.2.2大腔體實驗裝置大腔體靜高壓實驗裝置包括對頂砧壓機、活塞-圓筒壓機、多面頂壓機等。在本次研究中，樣品的燒結(jié)采用的是CS-IV-D型國產(chǎn)六面頂壓機，壓機裝置如圖2.2所示。六面頂高壓裝置的主要特點是六個頂砧同時均勻施壓，對裝置中心的六面體傳壓介質(zhì)進行擠壓，傳壓介質(zhì)材料為葉蠟石。樣品被封裝在傳壓介質(zhì)的中心位置，在受擠壓的同時，還可通過樣品外層的包裹管(一般為石墨管)與上下面頂錘導通電流，實現(xiàn)對內(nèi)部樣品加熱。實驗合成使用的壓機缸徑420mm，頂錘錘面邊長27mm，葉臘石合成塊邊長37.5mm，六面頂壓機液壓系統(tǒng)穩(wěn)定，壓力加載速度快[89]。應用大腔體壓機時，一級頂砧加壓可達到5GPa，二級頂砧可達到25GPa(碳化鎢壓砧)和60GPa(聚晶金剛石壓砧)，該裝置優(yōu)點是樣品尺寸較大，不足之處是可測量物理量較少。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]When water meets iron at Earth’s core-mantle boundary[J]. Ho-Kwang Mao,Qingyang Hu,Liuxiang Yang,Jin Liu,Duck Young Kim,Yue Meng,Li Zhang,Vitali B.Prakapenka,Wenge Yang,Wendy L.Mao.  National Science Review. 2017(06)
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[3]金屬添加對高壓燒結(jié)聚晶立方氮化硼的影響[J]. 謝宏亮,胡曉軍,張迎新,成諾,冷春蔚,黎明發(fā).  武漢理工大學學報. 2014(05)
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博士論文
[1]外地核候選物質(zhì)的動高壓實驗研究[D]. 胡曉軍.武漢理工大學 2012
[2]高壓下鐵的熔化曲線及外地核候選組分的約束性研究[D]. 黃海軍.中國工程物理研究院 2005

碩士論文
[1]高溫高壓下硫元素對純鐵聲速的影響[D]. 武仕杰.武漢理工大學 2013
[2]Fe-S體系的狀態(tài)方程研究[D]. 謝增康.武漢理工大學 2012



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