MgO-FeO和Fe-Ni-S體系的高溫高壓研究及其地球物理意義.pdf

1、鈣鈦礦MgSi03和鎂方鐵礦(Mg,Fe)O作為地球下地幔含量最豐富的候選礦物，其高溫高壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用來(lái)與地震學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比以限定下地幔的真實(shí)礦物學(xué)組分。本學(xué)位論文以沖擊波動(dòng)高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)和多面體壓砧靜高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)為高壓加載手段，測(cè)量了下地幔重要候選礦物一鎂方鐵礦(Mg,Fe)O及MgO在下地幔底部高溫高壓條件(136GPa，5000K)下的狀態(tài)方程，分析了可能存在的相變；研究了二元體系MgO-FeO和三元體系Fe-Ni-S的高溫高壓相

2、圖。這些研究，提升了對(duì)地球深部組分模型和礦物學(xué)模型的認(rèn)識(shí)，并為解釋下地幔底部地震波數(shù)據(jù)的異?，F(xiàn)象提供了物理支持。 本文研究主要取得以下一些認(rèn)識(shí)： (1)由于天然的鈣鈦礦MgSi03和鎂方鐵礦(Mg,Fe)O很難得到，給這兩種礦物的高溫高壓實(shí)驗(yàn)研究工作帶來(lái)不便。本文分別用活塞圓筒（Piston-cylinder)和大腔體二級(jí)壓砧(Mutli-anvil)技術(shù)在高溫高壓下合成了大塊鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的MgSi03和不同F(xiàn)e／Mg比的

3、鎂方鐵礦(Mg,Fe)O樣品，對(duì)所得到樣品進(jìn)行了微區(qū)電子探針、拉曼光譜和X射線(xiàn)衍射的分析。為高壓實(shí)驗(yàn)特別是沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)提供了滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求的高壓相初始樣品。 (2)測(cè)量了單晶MgO在114和192GPa沖擊壓縮下的Hugoniot數(shù)據(jù)。結(jié)合前人的沖擊波數(shù)據(jù)，揭示了沿MgO的P-VHugoniot線(xiàn)在170±10GPa存在體積不連續(xù)的本質(zhì)。由于這一壓力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的沖擊溫度僅為3000±400K，大大低于熔化溫度，從而排除了熔化引起體積變

4、化的可能。因此我們認(rèn)為Hugoniot線(xiàn)上1.9﹪的體積增加，是MgO從立方體結(jié)構(gòu)的B1相(NaCl-type)向六角密堆積結(jié)構(gòu)的B8相(NiAs-type)轉(zhuǎn)變所引起。此結(jié)果進(jìn)一步深化了對(duì)MgO在高溫高壓下相轉(zhuǎn)變的認(rèn)識(shí)，有重要的科學(xué)意義。 (3)為了進(jìn)一步對(duì)解釋并驗(yàn)證對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，本文還在200GPa的壓力范圍內(nèi)用基于局域密度近似的第一性原理方法模擬考察了MgO在B1相(NaCl)、B2相(CsCl)、B4相(wurtzi

5、te)和B8相(NiAs)四種不同結(jié)構(gòu)下的相對(duì)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的MgOHugoniot線(xiàn)上在170±10GPa處(對(duì)應(yīng)的溫度約3000-k400K)發(fā)生的～2﹪體積躍變可以用MgO從B1相(NaCl)到B8相(NiAs)的結(jié)構(gòu)相變來(lái)解釋。通過(guò)對(duì)比計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了在高溫高壓下MgO的B8相(NiAs結(jié)構(gòu))可能比B1相(NaCl結(jié)構(gòu))在熱力學(xué)上更加穩(wěn)定的結(jié)論。 (4)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了下地幔底部壓力條件下(Mg,Fe)0的

6、沖擊Hugoniot數(shù)據(jù)。綜合其終端組分MgO和FeO的沖擊波數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)B1相(Mg,Fe)0的Hugoniot線(xiàn)和其終端組分MgO和FeO的Hugoniot線(xiàn)基本重合，這說(shuō)明FeO含量對(duì)B1相(NaCl-type結(jié)構(gòu))(Mg,Fe)O的沖擊壓縮行為幾乎沒(méi)有影響。我們推測(cè)鎂方鐵礦(Mg,Fe)O在下地幔底部的溫度壓力條件可能會(huì)發(fā)生與FeOtl,2J在高溫高壓下從立方體結(jié)構(gòu)B1相(NaCl-type)轉(zhuǎn)變?yōu)榱敲芏逊e結(jié)構(gòu)B8相(NiA

7、s-type)同樣的相變。結(jié)合他人測(cè)量的多晶(Mgo．6,Feo．4)O的沖擊Hugoniot線(xiàn)[3]，發(fā)現(xiàn)在120GPa左右體積大概有l(wèi)～3﹪的增加，與MgO的相變特征一致。這一結(jié)論需要更多的高質(zhì)量沖擊波數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步證實(shí)。 (5)利用MgO和FeO的高溫高壓相變數(shù)據(jù)，首次建立了MgO-FeO體系的高溫高壓相圖，估計(jì)了(Mg,Fe)0從NaCl-type立方體(B1)到NiAs-type六角密堆積(B8)結(jié)構(gòu)相變的壓力條件為P[

8、(Mgx,Fel-x)O=(70+100X)GPa(X=0～1)，假定相變溫度為3000K。(Mg,Fe)O的這一相變?yōu)榻忉屜碌蒯５撞靠v向地震波速異常提供了新的物理依據(jù)，具有重要的地球物理學(xué)意義[4]。 (6)在壓力21GPa和溫度800．1100。C范圍內(nèi)對(duì)Fe-Ni-S體系開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)，以試圖了解Ni對(duì)Fe-Ni-S體系相圖的影響。發(fā)現(xiàn)Ni可以取代固態(tài)Fe3S晶體結(jié)構(gòu)中至少50at．﹪(原子百分比)的鐵原子，可能會(huì)形成完

9、全的固溶體結(jié)構(gòu)。(Fe,Ni)3S與Fe3S同為正交晶系，空間群均為I-4，但(Fe0.5Ni0.5)3S的晶胞體積相比Fe3S卻增加了5．8﹪。在21GPa，硫(S)在Fe-Ni-S固態(tài)合金中的溶解度可以達(dá)到～5at.﹪，分析卸壓回收的樣品，發(fā)現(xiàn)含3.7at．﹪S的Fe-Ni-S固態(tài)合金相比純鐵的晶胞體積增加了13﹪。表明有足夠的硫可能存在于固態(tài)的地球內(nèi)核并明顯降低地核的密度，從而給出了地核密度比純鐵密度要低的一個(gè)解釋。在21GPa壓