（Mg，Fe）SiO钙钛矿的高压声速和相稳定性及地球物理意义

摘要

人类对于地球内部的认识，尤其是对地幔和地核物质组成的理解，目前主要依靠地球物理资料(主要是对地震波数据的解释)和高温高压实验的结合来研究。近几十年来，对各种地球候选矿物质的高温高压相变研究已经取得了很大的成功，但是(Mg，Fe)SiO3钙钛矿作为下地幔最主要的矿物组分，其高温高压下的相变研究至今仍未有一致结论。尤其是人们利用地震层析成像技术探测到下地幔深度1600-1800km处(对应压力70-85GPa)存在径向不连续面，如何解释这一现象，这就需要高温高压实验对(Mg，Fe)SiO3钙钛矿的稳定性做进一步研究。这一问题的澄清，将有重大的地球物理意义。 本文通过研究分析，主要取得以下几点认识： (1)通过对(Mg，Fe)SiO3现有的冲击压缩数据的整理，综合以往的研究结果，对(Mg，Fe)SiO3顽火辉石在冲击压缩下所经历的相变过程作了详细的分析，并划分相变区域，得到结论：(Mg0.92，Fe0.08)SiO3顽火辉石在冲击压缩过程中，约经历三个明显区域：低压相区(LPR)，压力范围为0～40GPa；混合相区(MPR)，压力范围40～67GPa；高压相区(HPR)，压力范围为68～140GPa。由叠加原理计算得到的混合物(Mg0.92，Fe0.08)O(Mw)+SiO2(St)的D-u关系及P-ρ关系曲线明显偏离了实验数据的拟合曲线，从而排除了在高达140GPa冲击压力下钙钛矿结构的(Mg0.92，Fe0.08)SiO3发生向氧化物化学分解相变的可能性。 (2)根据相区划分，对实验结果中代表钙钛矿相属性的高压数据进行拟合，得到新的D-u关系：D=3.74(±0.22)+1.49(±0.05)u(km/s)，并计算了高压下(Mg0.92，Fe0.08)SiO3钙钛矿的格林爱森参数γ=γ0(ρ0/ρ)q，其中，γ0=1.82(2)，q=1.64(1)。通过三阶Birch-Murnaghan有限应变状态方程，由冲击波实验数据得到了零压等熵体积模量K0s=259.6(9)GPa及其对压力的一阶偏导K0s’=4.20(5)，其中ρ0=4.19g/cm3。(Mg0.92，Fe0.08)SiO3的高压相密度数据经过温度修正，与PREM完好吻合。支持钙钛矿为主要成分的下地幔模型。 (3)以二级轻气炮为压缩手段，测量了顽火辉石在高压下的声速。并利用文中得到的新的Hugoniot关系及格林爱森参数γ对以往高压声速测量结果重新进行计算，得到声速—压力和声速—密度关系。结果发现，纵波声速和剪切波声速在68GPa和83-85GPa附近分别有一个正的和负的跳变；而体波声速则无明显变化。 (4)对现有的多种金属和矿物质在高压下的声速数据进行系统分析，全方位考察了Birch定律的适用范围，对纵波、剪切波和体波声速在等温、等熵以及Hugoniot状态下与压缩密度的关系进行总结。 (5)根据等温、等熵和Hugoniot状态下纵波声速与密度满足同一线性关系，把处理得到的钙钛矿声速数据与静高压对(Mg，Fe)SiO3顽火辉石和(Mg，Fe)SiO3钙钛矿的声速测量数据，以及前人利用第一性原理和从头算方法计算得到的钙钛矿声速数据进行对比，进一步论证对顽火辉石在冲击压缩下的相区划分。并得到了(Mg0.92，Fe0.08)SiO3在68-140GPa压力范围内均呈钙钛矿相的结论。 (6)用两种方法从理论上计算了(Mg0.92，Fe0.08)SiO3钙钛矿的冲击温度。利用相变热力学，对(Mg0.92，Fe0.08)SiO3钙钛矿在83-85GPa附近的相边界进行了计算，并根据钙钛矿中因Fe电子自旋状态改变(HS-LS)而引起的自由能变化，估算了其相边界斜率，发现两者很吻合。因此，可以认为是由于Fe电子由高自旋向低自旋的相变，造成Fe-O键长缩短，引起晶格畸变，可压缩性增大，从而导致(Mg0.92，Fe0.08)SiO3在83-85GPa压力处的声速发生了负的跳变，进入一种新的钙钛矿相。而其在68GPa压力附近声速的正跳变，是因为68GPa之前，依然包含有低压相(顽火辉石)的影响。 (7)介绍了体波声速温度系数的计算方法，把体波声速修正到PREM温度下，并与纵波声速一起，与PREM声速剖面进行对比。结果发现，纵波声速与PREM基本平行，两者差值为4.89-5.08％，支持了钙钛矿为主的下地幔模型。而体波声速与PREM在下地幔约1720km深处相交。由此可以推断，地震波探测的下地幔深度1600-1800km深处的径向不连续面，既可能是由于电子自旋相变引起的钙钛矿相变界面，也可能是一个化学分层界面。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第二章 顽火辉石的冲击相变和高压状态方程及其地球物理意义

第三章(Mg0.92，Fe0.08)SiO3钙钛矿在高压下的声速

第四章 高温高压下声速与密度关系

第五章 利用高压声速对(Mg，Fe)SiO3钙钛矿的相稳定性分析及地球物理意义

参考文献

结束语

致谢

附录(攻读硕士学位期间发表论文)