Физика минералов

Физика минералов — это наука о материалах, из которых состоят внутренние части планет, в частности Земли. Она пересекается с петрофизикой, которая фокусируется на свойствах горных пород в целом. Она 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 получения информации о тектонике плит, конвекции мантии, геодинамо и связанных с ними явлениях.

Лабораторные работы по физике минералов требуют измерений высокого давления. Наиболее распространенным инструментом является ячейка с алмазной наковальней, в которой алмазы подвергают небольшой образец давлению, которое может приблизиться к условиям в недрах Земли.

Создание высокого давления

Ударная компрессия

Многие из пионерских исследований в области физики минералов включали взрывы или снаряды, которые подвергали образец удару. В течение короткого промежутка времени образец находится под давлением, пока проходит ударная волна. С помощью этого метода были достигнуты такие же высокие давления, как и любое другое на Земле. Однако у метода есть некоторые недостатки. Давление очень неравномерно и не является адиабатическим, поэтому волна давления нагревает образец при прохождении. Условия эксперимента должны быть интерпретированы в терминах набора кривых давление-плотность, называемых кривыми Гюгонио.

Многопуансонный пресс

Прессы с несколькими наковальнями включают в себя расположение наковален для концентрации давления от пресса на образец. Обычно аппарат использует расположение восьми кубических наковален из карбида вольфрама для сжатия керамического октаэдра, содержащего образец, и керамической или ренийметаллической печи. Наковальни обычно помещаются в большой гидравлический пресс. Метод был разработан Каваи и Эндо в Японии. В отличие от ударного сжатия, оказываемое давление является постоянным, и образец можно нагревать с помощью печи. Давления около 28 ГПа (эквивалентно глубине 840 км) и температуры выше 2300 °C можно достичь с помощью наковален из WC и печи из хромита лантана. Аппарат очень громоздкий и не может достигать давлений, подобных давлению в ячейке с алмазными наковальнями (ниже), но он может обрабатывать гораздо более крупные образцы, которые можно закалить и исследовать после эксперимента. Недавно для этого типа прессов были разработаны наковальни из спеченного алмаза, способные достигать давления 90 ГПа (глубина 2700 км).

Ячейка с алмазной наковальней

Ячейка алмазной наковальни — это небольшое настольное устройство для концентрации давления. Оно может сжимать небольшой (размером менее миллиметра) кусок материала до экстремальных давлений, которые могут превышать 3 000 000 атмосфер (300 гигапаскалей). Это превышает давление в центре Земли. Концентрация давления на кончике алмаза возможна из-за его твердости, а его прозрачность и высокая теплопроводность позволяют использовать различные зонды для исследования состояния образца. Образец можно нагревать до тысяч градусов.

Создание высоких температур

Достижение температур, обнаруженных в недрах Земли, так же важно для изучения физики минералов, как и создание высоких давлений. 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 область. Доступно большое разнообразие конструкций нагревателей, включая те, которые нагревают весь корпус ячейки алмазной наковальни (DAC), и те, которые помещаются внутри корпуса для нагрева камеры образца. Температуры ниже 700 °C могут быть достигнуты на воздухе 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 BX90 DAC достигал температуры 1400 °C.

Лазерный нагрев выполняется в ячейке с алмазными наковальнями с помощью лазеров Nd:YAG или CO2 для достижения температур выше 6000 К. Спектроскопия используется для измерения излучения черного тела от образца для определения температуры. Лазерный нагрев продолжает расширять диапазон температур, который может быть достигнут в ячейке с алмазными наковальнями, но имеет два существенных недостатка. Во-первых, температуры ниже 1200 °C трудно измерить с помощью этого метода. Во-вторых, в образце существуют большие температурные градиенты, поскольку нагревается только та часть образца, на которую воздействует лазер.

Свойства материалов

Уравнения состояния

Чтобы вывести свойства минералов в глубинах Земли, необходимо знать, как их плотность меняется в зависимости от давления и температуры. Такое соотношение называется уравнением состояния (УС). Простым примером УС, которое предсказывает модель Дебая для гармонических колебаний решетки, является уравнение состояния Ми-Грюнхейзена:

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

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

Интерпретация сейсмических скоростей

Инверсия сейсмических данных дает профили сейсмической скорости как функции глубины. Их все еще необходимо интерпретировать с точки зрения свойств минералов. Очень полезная эвристика была открыта Фрэнсисом Бирчем: построив графики данных для большого количества горных пород, он обнаружил линейную зависимость скорости продольных волн ${\displaystyle v_{p}}$ горных пород и минералов с постоянным средним атомным весом ${\displaystyle {\overline {M}}}$ с плотностью ${\displaystyle \rho }$:

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

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

Другие физические свойства

Методы исследования кристаллов

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.

Расчеты первых принципов

Используя квантово-механические численные методы, можно достичь очень точных предсказаний свойств кристалла, включая структуру, термодинамическую стабильность, упругие свойства и транспортные свойства. Пределом таких вычислений, как правило, является вычислительная мощность, поскольку время выполнения вычислений в течение недель или даже месяцев не является чем-то необычным.: 107–109

История

Область физики минералов не имела своего названия до 1960-х годов, но ее истоки восходят как минимум к началу XX века и признанию того, что внешнее ядро ​​является жидким, поскольку сейсмические исследования Олдхэма и Гутенберга показали, что оно не позволяет распространяться сдвиговым волнам.

Знаменательным событием в истории физики минералов стала публикация работы Плотность Земли Эрскина Уильямсона, математика-физика, и Лисона Адамса, экспериментатора. 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 больше, чем у земной коры, но не было известно, было ли это связано со сжатием или изменениями состава внутри. 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 пород. Они измерили некоторые из этих свойств с помощью 500-тонного гидравлического пресса, который применял давление до 1,2 гигапаскаля (ГПа). Они пришли к выводу, что мантия Земли имеет другой состав, чем кора, возможно, ферромагнезиальные силикаты, а ядро ​​представляет собой некоторую комбинацию железа и никеля. Они оценили давление и плотность в центре в 320 ГПа и 10 700 кг/м3, что недалеко от текущих оценок в 360 ГПа и 13 000 кг/м3.

Экспериментальная работа в Геофизической лаборатории извлекла пользу из пионерской работы Перси Бриджмена из Гарвардского университета, который разработал методы исследования высокого давления, которые привели к Нобелевской премии по физике. Его ученик, Фрэнсис Бирч, руководил программой по применению методов высокого давления в геофизике. Бирч расширил уравнение Адамса-Вильямсона, включив в него эффекты температуры. В 1952 году он опубликовал классическую работу Упругость и строение недр Земли, в которой установил некоторые основные факты: мантия преимущественно состоит из силикатов; между верхней и нижней мантией существует фазовый переход, связанный с фазовым переходом; и внутреннее и внешнее ядро ​​представляют собой сплавы железа.