Минеральная физика

Физика минералов — это наука о материалах, составляющих недра планет, особенно Земли. Это пересекается с петрофизикой , которая фокусируется на свойствах всей горной породы. Он предоставляет информацию, которая позволяет интерпретировать поверхностные измерения сейсмических волн , гравитационных аномалий , геомагнитных полей и электромагнитных полей с точки зрения свойств в глубоких недрах 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 алмазы используются для помещения небольшого образца под давление, которое может приближаться к условиям в недрах Земли.

Создание высокого давления [ править ]

Ударное сжатие [ править ]

Многие из новаторских исследований в области физики минералов включали взрывы или снаряды, которые подвергали образец ударам. В течение короткого промежутка времени образец находится под давлением при ударной волны прохождении . Этим методом были достигнуты такие высокие давления, какие никогда не существовали на Земле. Однако метод имеет некоторые недостатки. Давление очень неоднородно и не является адиабатическим , поэтому волна давления попутно нагревает образец. Условия эксперимента следует интерпретировать в терминах набора кривых давление-плотность, называемых кривыми Гюгонио . ^[1]

Многопуансонный пресс [ править ]

Прессы с несколькими наковальнями включают в себя расположение наковален для концентрации давления пресса на образце. Обычно в устройстве используется восемь кубических наковальнь из карбида вольфрама для сжатия керамического октаэдра, содержащего образец, и керамической или Re-металлической печи. Наковальни обычно помещаются в большой гидравлический пресс . Метод был разработан Каваи и Эндо в Японии. ^[2] В отличие от ударного сжатия, оказываемое давление является постоянным, и образец можно нагревать в печи. Давление около 28 ГПа (что эквивалентно глубине 840 км), ^[3] и температура выше 2300 °С, ^[4] можно достичь, используя туалетные наковальни и печь из хромита лантана. Аппарат очень громоздкий и не может достигать таких давлений, как в ячейке с алмазной наковальней (ниже), но он может обрабатывать гораздо большие образцы, которые можно закалить и исследовать после эксперимента. ^[5] Недавно спеченные алмазные наковальни, способные достигать давления 90 ГПа (глубина 2700 км). для этого типа прессов были разработаны ^[6]

Ячейка с алмазной наковальней [ править ]

Схема ядра ячейки с алмазной наковальней. Размер бриллианта составляет максимум несколько миллиметров.

Ячейка с алмазной наковальней представляет собой небольшое настольное устройство для концентрации давления. Он может сжимать небольшой (размером менее миллиметра) кусок материала до экстремального давления , которое может превышать 3 000 000 атмосфер (300 гигапаскалей ). ^[7] Это превышает давление в центре Земли . Концентрация давления на вершине алмазов возможна благодаря их твердости , а их прозрачность и высокая теплопроводность позволяют использовать различные зонды для исследования состояния образца. Образец может нагреваться до тысяч градусов.

Создание высоких температур [ править ]

Достижение температур, существующих в недрах Земли, так же важно для изучения физики минералов, как и создание высокого давления. Для достижения этих температур и их измерения используется несколько методов. Резистивный нагрев является наиболее распространенным и простым для измерения. Приложение напряжения к проводу нагревает провод и окружающую среду. Доступен широкий выбор конструкций нагревателей, включая те, которые нагревают весь корпус ячейки с алмазными наковальнями (DAC), и те, которые помещаются внутри корпуса для нагрева камеры для проб. На воздухе температура ниже 700 °C может достигаться из-за окисления алмаза выше этой температуры. В атмосфере аргона можно достичь более высоких температур до 1700 °C без повреждения алмазов. Сообщалось, что вольфрамовый резистивный нагреватель с Ar в ЦАП BX90 достигает температуры 1400 °C. ^[8]

Лазерный нагрев осуществляется в ячейке с алмазными наковальнями с помощью :YAG или CO2 _{лазеров} Nd для достижения температуры выше 6000К. Спектроскопия используется для измерения излучения черного тела образца для определения температуры. Лазерный нагрев продолжает расширять температурный диапазон, которого можно достичь в ячейке с алмазными наковальнями, но имеет два существенных недостатка. Во-первых, этим методом трудно измерить температуру ниже 1200 °C. Во-вторых, в образце существуют большие температурные градиенты, поскольку нагревается только часть образца, на которую воздействует лазер. ^{[ нужна ссылка ]}

Свойства материалов [ править ]

Уравнения состояния [ править ]

Чтобы определить свойства минералов в недрах Земли, необходимо знать, как их плотность меняется в зависимости от давления и температуры . Такое соотношение называется уравнением состояния (УОС). Простым примером EOS, предсказанного моделью Дебая для гармонических колебаний решетки, является уравнение состояния Ми-Грюнхейзена:

\left({\frac {dP}{dT}}\right)={\frac {\gamma _{D}}{V}}C_{V},

где $C_{V}$ это теплоемкость и $\gamma _{D}$ – дебаевская гамма. Последний является одним из многих параметров Грюнхайзена, которые играют важную роль в физике высоких давлений. Более реалистичным EOS является уравнение состояния Берча – Мурнагана . ^[9]^: 66–73

скоростей Интерпретация сейсмических

Инверсия сейсмических данных дает профили сейсмической скорости в зависимости от глубины. Их все равно необходимо интерпретировать с точки зрения свойств минералов. Очень полезная эвристика была открыта Фрэнсисом Бёрчем : построив графики данных для большого количества горных пород, он обнаружил линейную зависимость волны сжатия. скорости $v_{p}$ горных пород и минералов с постоянным средним атомным весом ${\overline {M}}$ с плотностью $\rho$ : ^[10]^[11]

v_{p}=a{\overline {M}}+b\rho

.

Это соотношение стало известно как закон Берча .Это позволяет экстраполировать известные скорости минералов на поверхности, чтобы предсказать скорости глубже в Земле.

Другие физические свойства [ править ]

Вязкость
Ползучесть (деформация)
плавление
Электропроводность и другие транспортные свойства

Методы допроса кристалла [ править ]

Существует ряд экспериментальных процедур, предназначенных для извлечения информации как из монокристаллов, так и из порошкообразных кристаллов. Некоторые методы можно использовать в ячейке с алмазными наковальнями (DAC) или в прессе с несколькими наковальнями (MAP). Некоторые методы обобщены в следующей таблице.

Техника	Тип наковальни	Тип образца	Информация извлечена	Ограничения
Рентгеновская дифракция (XRD) ^[12]	ЦАП или КАРТА	Порошок или монокристалл	параметры ячейки
Электронная микроскопия	Ни один	Порошок или монокристалл	Группа Симметрии	Только измерения поверхности
Нейтронная дифракция	Ни один	Пудра	параметры ячейки	Требуется большая выборка
Инфракрасная спектроскопия ^[13]	ЦАП	Порошок, монокристалл или раствор	Химический состав	Не все материалы ИК-активны.
Рамановская спектроскопия ^[13]	ЦАП	Порошок, монокристалл или раствор	Химический состав	Не все материалы являются рамановскими активными.
Бриллюэновское рассеяние ^[14]	ЦАП	Монокристалл	Модули упругости	Нужен оптически тонкий образец
Ультразвуковая интерферометрия ^[15]	ЦАП или КАРТА	Монокристалл	Модули упругости

Расчеты по первым принципам [ править ]

Используя квантово-механические численные методы, можно очень точно предсказать свойства кристаллов, включая структуру, термодинамическую стабильность, упругие свойства и транспортные свойства. Ограничением таких вычислений, как правило, является вычислительная мощность, поскольку время выполнения вычислений нередко составляет недели или даже месяцы. ^[9]^{: 107–109}

История [ править ]

Область физики минералов не получила названия до 1960-х годов, но ее зарождение восходит, по крайней мере, к началу 20-го века, когда было признано, что внешнее ядро является жидким, поскольку сейсмические работы Олдхэма и Гутенберга показали, что оно не позволяет сдвиговым волнам. распространяться . ^[16]

Вехой в истории физики минералов стала публикация «Плотность Земли» физика-математика Эрскина Уильямсона и экспериментатора Лисона Адамса . Работая в геофизической лаборатории Института Карнеги в Вашингтоне , они рассмотрели проблему, которая долгое время озадачивала ученых. Было известно, что средняя плотность Земли примерно в два раза превышала плотность земной коры , но не было известно, было ли это связано со сжатием или изменениями состава недр. Уильямсон и Адамс предположили, что более глубокие породы сжимаются адиабатически (без выделения тепла), и вывели уравнение Адамса-Вильямсона , которое определяет профиль плотности на основе измеренных плотностей и упругих свойств горных пород. Некоторые из этих свойств они измерили с помощью 500-тонного гидравлического пресса, который создавал давление до 1,2 гигапаскаля (ГПа). Они пришли к выводу, что мантия Земли имеет другой состав, чем кора, возможно, железомагнезиальные силикаты, а ядро представляет собой некую комбинацию железа и никеля. Они оценили давление и плотность в центре в 320 ГПа и 10700 кг/м. ³, что недалеко от текущих оценок в 360 ГПа и 13 000 кг/м. ³. ^[17]

Экспериментальная работа в Геофизической лаборатории опиралась на новаторскую работу Перси Бриджмена из Гарвардского университета , который разработал методы исследования высокого давления, что привело к Нобелевской премии по физике . ^[17] Его ученик, Фрэнсис Бёрч , возглавил программу по применению методов высокого давления в геофизике. ^[18] Берч расширил уравнение Адамса-Вильямсона, включив в него влияние температуры. ^[17] В 1952 году он опубликовал классическую статью « Упругость и строение недр Земли» , в которой установил некоторые основные факты: мантия состоит преимущественно из силикатов ; происходит фазовый переход между верхней и нижней мантией, связанный с фазовым переходом; а внутреннее и внешнее ядро изготовлены из сплавов железа. ^[19]

Ссылки [ править ]

^ Аренс, Ти Джей (1980). «Динамическое сжатие материалов Земли». Наука . 207 (4435): 1035–1041. Бибкод : 1980Sci...207.1035A . дои : 10.1126/science.207.4435.1035 . ПМИД 17759812 . S2CID 21791428 .
^ Каваи, Наото (1970). «Создание сверхвысоких гидростатических давлений с помощью аппарата с разделенной сферой». Обзор научных инструментов . 41 (8): 1178–1181. Бибкод : 1970RScI...41.1178K . дои : 10.1063/1.1684753 .
^ Кубо, Ацуши; Акаоги, Масаки (2000). «Постгранатовые переходы в системе Mg ₄ Si ₄ O ₁₂ –Mg ₃ Al ₂ Si ₃ O ₁₂ до 28 ГПа: фазовые соотношения граната, ильменита и перовскита». Физика Земли и недр планет . 121 (1–2): 85–102. Бибкод : 2000PEPI..121...85K . дои : 10.1016/S0031-9201(00)00162-X .
^ Чжан, Цзяньчжун; Либерманн, Роберт С.; Гаспарик, Тибор; Герцберг, Клод Т.; Фей, Инвэй (1993). «Плавление и субсолидусные отношения кремнезема при давлении от 9 до 14 ГПа». Журнал геофизических исследований . 98 (Б11): 19785–19793. Бибкод : 1993JGR....9819785Z . дои : 10.1029/93JB02218 .
^ «Изучение формирования Земли: пресс с несколькими наковальнями в действии» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса . Архивировано из оригинала 28 мая 2010 года . Проверено 29 сентября 2010 г.
^ Чжай, Шуанмэн; Ито, Эйдзи (2011). «Последние достижения в области создания высокого давления в аппарате с несколькими наковальнями с использованием спеченных алмазных наковален» . Геонаучные границы . 2 (1): 101–106. Бибкод : 2011GeoFr...2..101Z . дои : 10.1016/j.gsf.2010.09.005 .
^ Хемли, Рассел Дж.; Эшкрофт, Нил В. (1998). «Показательная роль давления в науках о конденсированных средах». Физика сегодня . 51 (8): 26. Бибкод : 1998PhT....51h..26H . дои : 10.1063/1.882374 .
^ Ян Дж., Доран А., Макдауэлл А.А. и Калкан Б., 2021. Вольфрамовый внешний нагреватель для ячеек с алмазными наковальнями BX90 с диапазоном температур до 1700 К. Обзор научных инструментов, 92 (1), стр. .013903.
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Пуарье 2000
^ Берч, Ф. (1961). «Скорость продольных волн в горных породах до 10 килобар. Часть 2». Журнал геофизических исследований . 66 (7): 2199–2224. Бибкод : 1961JGR....66.2199B . дои : 10.1029/JZ066i007p02199 .
^ Берч, Ф. (1961). «Состав мантии Земли» . Геофизический журнал Королевского астрономического общества . 4 : 295–311. Бибкод : 1961GeoJ....4..295B . дои : 10.1111/j.1365-246X.1961.tb06821.x .
^ Бернли, Памела. «Синхротронная рентгеновская дифракция» . Ресурсный центр научного образования . Карлтон Колледж . Проверено 18 сентября 2015 г.
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Томас, Сильвия-Моник. «Инфракрасная и рамановская спектроскопия» . Ресурсный центр научного образования . Карлтон Колледж . Проверено 18 сентября 2015 г.
^ Томас, Сильвия-Моник. «Бриллюэновская спектроскопия» . Ресурсный центр научно-образовательного образования . Карлтон Колледж . Проверено 18 сентября 2015 г.
^ Бернли, Памела. «Ультразвуковые измерения» . Ресурсный центр научного образования . Карлтон Колледж . Проверено 18 сентября 2015 г.
^ Прайс, Дж. Дэвид (октябрь 2007 г.). «Обзор 2.01 – Физика минералов: прошлое, настоящее и будущее» (PDF) . В Прайсе, Дж. Дэвид (ред.). Минеральная физика . Эльзевир. стр. 1–6. ISBN 9780444535764 . Проверено 27 сентября 2017 г.
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б ^с Хемли, Рассел Дж. (апрель 2006 г.). «Эрскин Уильямсон, экстремальные условия и зарождение физики минералов». Физика сегодня . 59 (4): 50–56. Бибкод : 2006PhT....59d..50H . дои : 10.1063/1.2207038 .
^ Превитт, Чарльз Т. (2003). «Минеральная физика: взгляд в будущее» . Журнал минералогических и петрологических наук . 98 (1): 1–8. Бибкод : 2003JMPeS..98....1P . дои : 10.2465/jmps.98.1 .
^ Либерманн, Роберт Купер; Превитт, Чарльз Т. (март 2014 г.). «От Эйрли Хауса в 1977 году до Гранлибаккена в 2012 году: 35 лет эволюции физики минералов». Физика Земли и недр планет . 228 : 36–45. Бибкод : 2014PEPI..228...36L . дои : 10.1016/j.pepi.2013.06.002 .

Дальнейшее чтение [ править ]

Киффер, Юго-Запад; Навроцкий, А. (1985). Микроскопическое к макроскопическому: атомное окружение к минеральной термодинамике . Вашингтон, округ Колумбия: Минералогическое общество Америки. ISBN 978-0-939950-18-8 .
Пуарье, Жан-Поль (2000). Введение в физику недр Земли . Кембриджские темы по физике и химии минералов. Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-66313-Х .

Внешние ссылки [ править ]

«Преподавание минеральной физики в рамках учебной программы» . На переднем крае – повышение квалификации факультетов геолого-геофизических наук . Проверено 21 мая 2012 г.

[1] Аренс, Ти Джей (1980). «Динамическое сжатие материалов Земли». Наука . 207 (4435): 1035–1041. Бибкод : 1980Sci...207.1035A . дои : 10.1126/science.207.4435.1035 . ПМИД 17759812 . S2CID 21791428 .

[2] Каваи, Наото (1970). «Создание сверхвысоких гидростатических давлений с помощью аппарата с разделенной сферой». Обзор научных инструментов . 41 (8): 1178–1181. Бибкод : 1970RScI...41.1178K . дои : 10.1063/1.1684753 .

[3] Кубо, Ацуши; Акаоги, Масаки (2000). «Постгранатовые переходы в системе Mg ₄ Si ₄ O ₁₂ –Mg ₃ Al ₂ Si ₃ O ₁₂ до 28 ГПа: фазовые соотношения граната, ильменита и перовскита». Физика Земли и недр планет . 121 (1–2): 85–102. Бибкод : 2000PEPI..121...85K . дои : 10.1016/S0031-9201(00)00162-X .

[4] Чжан, Цзяньчжун; Либерманн, Роберт С.; Гаспарик, Тибор; Герцберг, Клод Т.; Фей, Инвэй (1993). «Плавление и субсолидусные отношения кремнезема при давлении от 9 до 14 ГПа». Журнал геофизических исследований . 98 (Б11): 19785–19793. Бибкод : 1993JGR....9819785Z . дои : 10.1029/93JB02218 .

[5] «Изучение формирования Земли: пресс с несколькими наковальнями в действии» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса . Архивировано из оригинала 28 мая 2010 года . Проверено 29 сентября 2010 г.

[6] Чжай, Шуанмэн; Ито, Эйдзи (2011). «Последние достижения в области создания высокого давления в аппарате с несколькими наковальнями с использованием спеченных алмазных наковален» . Геонаучные границы . 2 (1): 101–106. Бибкод : 2011GeoFr...2..101Z . дои : 10.1016/j.gsf.2010.09.005 .

[Hemley1998-7] Хемли, Рассел Дж.; Эшкрофт, Нил В. (1998). «Показательная роль давления в науках о конденсированных средах». Физика сегодня . 51 (8): 26. Бибкод : 1998PhT....51h..26H . дои : 10.1063/1.882374 .

[8] Ян Дж., Доран А., Макдауэлл А.А. и Калкан Б., 2021. Вольфрамовый внешний нагреватель для ячеек с алмазными наковальнями BX90 с диапазоном температур до 1700 К. Обзор научных инструментов, 92 (1), стр. .013903.

[Poirier-9] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Пуарье 2000

[JGR61-10] Берч, Ф. (1961). «Скорость продольных волн в горных породах до 10 килобар. Часть 2». Журнал геофизических исследований . 66 (7): 2199–2224. Бибкод : 1961JGR....66.2199B . дои : 10.1029/JZ066i007p02199 .

[GJRAS61-11] Берч, Ф. (1961). «Состав мантии Земли» . Геофизический журнал Королевского астрономического общества . 4 : 295–311. Бибкод : 1961GeoJ....4..295B . дои : 10.1111/j.1365-246X.1961.tb06821.x .

[12] Бернли, Памела. «Синхротронная рентгеновская дифракция» . Ресурсный центр научного образования . Карлтон Колледж . Проверено 18 сентября 2015 г.

[Thomas-13] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Томас, Сильвия-Моник. «Инфракрасная и рамановская спектроскопия» . Ресурсный центр научного образования . Карлтон Колледж . Проверено 18 сентября 2015 г.

[14] Томас, Сильвия-Моник. «Бриллюэновская спектроскопия» . Ресурсный центр научно-образовательного образования . Карлтон Колледж . Проверено 18 сентября 2015 г.

[15] Бернли, Памела. «Ультразвуковые измерения» . Ресурсный центр научного образования . Карлтон Колледж . Проверено 18 сентября 2015 г.

[Price-16] Прайс, Дж. Дэвид (октябрь 2007 г.). «Обзор 2.01 – Физика минералов: прошлое, настоящее и будущее» (PDF) . В Прайсе, Дж. Дэвид (ред.). Минеральная физика . Эльзевир. стр. 1–6. ISBN 9780444535764 . Проверено 27 сентября 2017 г.

[Hemley-17] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б ^с Хемли, Рассел Дж. (апрель 2006 г.). «Эрскин Уильямсон, экстремальные условия и зарождение физики минералов». Физика сегодня . 59 (4): 50–56. Бибкод : 2006PhT....59d..50H . дои : 10.1063/1.2207038 .

[Prewitt-18] Превитт, Чарльз Т. (2003). «Минеральная физика: взгляд в будущее» . Журнал минералогических и петрологических наук . 98 (1): 1–8. Бибкод : 2003JMPeS..98....1P . дои : 10.2465/jmps.98.1 .

[Liebermann-19] Либерманн, Роберт Купер; Превитт, Чарльз Т. (март 2014 г.). «От Эйрли Хауса в 1977 году до Гранлибаккена в 2012 году: 35 лет эволюции физики минералов». Физика Земли и недр планет . 228 : 36–45. Бибкод : 2014PEPI..228...36L . дои : 10.1016/j.pepi.2013.06.002 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

v т и Геофизика
Обзор	Контур Геофизики
Подполя	Геодинамика Геофизические исследования Геомагнетизм геоматематика Геофизическая гидродинамика Минеральная физика Приповерхностная геофизика Палеомагнетизм Сейсмология Тектонофизика
Физический явления	Чендлер раскачивается Эффект Кориолиса Энергетический бюджет Земли Магнитное поле Земли Геодинамо Геотермический градиент Гравитация Земли Мантийная конвекция Прецессия равноденствий Сейсмическая волна Прилив
Связанные дисциплины	Геодезия
Геофизический портал Категория Коммонс