Fe-S體系的狀態(tài)方程研究.pdf

1、根據(jù)地震學(xué)、地球物理學(xué)、地球化學(xué)、宇宙化學(xué)以及高溫高壓實驗等研究結(jié)果，現(xiàn)已確認液態(tài)地球外核由約90wt.％的金屬鐵和10wt.％的輕元素組成。盡管輕元素在地核中的含量相對較少，卻對地核的動力學(xué)行為和熱力學(xué)特征等有著重要的影響。綜合各方面研究結(jié)果，目前認為外地核中可能含有的候選輕元素為：硅(Si)、硫(S)、氧(O)、碳(C)和氫(H)，并且最少應(yīng)含有兩種輕元素。而在這些輕元素中，大多數(shù)學(xué)者認為O、S和Si在外地核中的含量較多，因此被認為

2、是外地核中的主要候選輕元素。但是理論和實驗研究結(jié)果表明，外地核中不可能同時含有大量的O和Si，因為在原始地球吸積的過程中，含O地核的形成需要氧化條件，而含Si地核則是在相對還原的條件下形成的。因此外地核物質(zhì)最有可能的組分是Fe-O-S或Fe-Si-S體系。近期Huang等人利用動高壓實驗測量了Fe-O-S體系的狀態(tài)方程和聲速，并在相同的溫度和壓強條件下與外地核的密度和體波聲速進行了比較，發(fā)現(xiàn)外地核是貧O的，其O含量至多不超過2.5wt.

3、％，而最樂觀的估計值是0.5wt.％，同時也指出外地核物質(zhì)極有可能是Fe-Si-S體系(Evidence for an oxygen-depleted liquid outer core of the Earth，Nature，2011，479)。
　　 為了準確限定外地核中S和Si的含量，我們要清楚地了解S和Si在外地核高溫高壓環(huán)境下對純鐵密度和聲速的影響。根據(jù)上述研究目標，本文選取Fe88.24S11.76(Fe/FeS混合

4、物，88.24wt.％Fe和11.76wt.％S)體系作為研究對象，利用二級輕氣炮動高壓實驗設(shè)備測量其Hugoniot狀態(tài)方程，來研究高溫高壓下S對純鐵的狀態(tài)方程的影響，并為后續(xù)Fe-S體系聲速的實驗測量提供必需的實驗參數(shù)。全文主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點歸納如下：
　　 1.應(yīng)用六面頂大腔體壓機，摸索利用Fe和FeS高純粉末合成大塊致密Fe-S體系樣品的溫度和壓強條件，發(fā)現(xiàn)其最佳合成條件為壓強2GPa，溫度800℃。樣品的平均密度為

5、6.50g/cm3，與其理論密實密度6.48g/cm3非常接近。SEM/EDS檢測結(jié)果表明：S以FeS方式均勻分布在樣品中，并且樣品Fe和FeS粉末之間無間隙，達到了非常好的致密程度。根據(jù)原料配比比例，S的含量為11.76wt.％。
　　 2.應(yīng)用二級輕氣炮動高壓實驗裝置，借助電探針技術(shù)，在約93-200GPa壓強范圍內(nèi)測量了其Hugoniot線，得到Hugoniot參數(shù)為：C0=3.468(±0.142)km/s，λ=1.61

6、8(±0.054)。并且根據(jù)已有的Fe和FeS的Hugoniot實驗數(shù)據(jù)，用可加性方法預(yù)估了Fe88.24S11.76組分的Hugoniot線，發(fā)現(xiàn)預(yù)估結(jié)果和本文實驗結(jié)果是一致的。這表明用可加性方法能很好的描述Fe-S體系的Hugoniot狀態(tài)方程，此外也表明在沖擊加載過程中，樣品中的Fe和FeS沒有發(fā)生可觀測的化學(xué)反應(yīng)。
　　 3.在實測Hugoniot參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)熱力學(xué)方法計算了外地核環(huán)境下Fe88.24S11.76組

7、分的密度和體聲速，并與PREM模型的密度和聲速數(shù)據(jù)做了對比，發(fā)現(xiàn)無論是對于密度還是聲速，11.76wt.％的S都顯得“過量”了。
　　 4.以滿足外地核密度(地震波PREM模型的限定)為出發(fā)點，計算了Fe90S10組分在外地核環(huán)境下的密度和聲速。計算結(jié)果表明10wt.％的S基本可以滿足外地核的密度約束，然而其聲速卻低于PREM模型的數(shù)據(jù)，特別是在外地核的頂部。即10wt.％的S雖然可以滿足外地核的密度限定，卻無法解釋外地核的聲速

8、特征。這一結(jié)果說明：即使不考慮S元素的地球化學(xué)豐度問題，外地核也不可能是由Fe-S體系組成的。
　　 Fe-S-Si體系極有可能是外地核的物質(zhì)組分，結(jié)合地球化學(xué)對S含量的限定(2-3wt.％)，F(xiàn)e-S-Si體系中Si的含量應(yīng)該是相當(dāng)可觀的。為此下一步的研究工作是進一步測定Fe-S體系的Hugoniot聲速，以及Fe-Si體系(合理的Si含量應(yīng)該在10wt.％左右)的Hugoniot線以及聲速，為研究Fe-S-Si體系做充分的準