
Физика минералов: Понимание внутреннего мира Земли
Физика минералов — это увлекательная наука, изучающая материалы, из которых состоят внутренние части планет, особенно Земли. Эта область знаний тесно связана с петрофизикой, которая исследует свойства горных пород в целом. Физика минералов предоставляет важную информацию, позволяющую интерпретировать данные, полученные с помощью сейсмических волн, гравитационных аномалий, геомагнитных и электромагнитных полей. Эти данные помогают нам лучше понять процессы, происходящие в глубоких недрах Земли, такие как тектоника плит, конвекция мантии и геодинамика.
Измерения высокого давления в физике минералов
Лабораторные исследования в области физики минералов требуют создания условий, приближенных к тем, что существуют в недрах Земли. Одним из наиболее распространенных инструментов для таких измерений является ячейка с алмазной наковальней. Этот прибор позволяет создавать высокое давление, сжимая небольшой образец материала с помощью алмазов.
Ударная компрессия
Одним из методов, используемых для создания высоких давлений, является ударная компрессия. В ходе таких экспериментов образец подвергается воздействию взрывов или снарядов, что создает ударную волну. На короткий промежуток времени образец оказывается под высоким давлением. Этот метод позволяет достигать давлений, сопоставимых с теми, что существуют в недрах Земли. Однако у него есть свои недостатки: давление неравномерно и не является адиабатическим, что приводит к нагреву образца. Для интерпретации условий эксперимента используются кривые давления и плотности, известные как кривые Гюгонио.
Многопуансонный пресс
Другим методом создания высокого давления является использование многопуансонного пресса. Этот аппарат включает в себя несколько наковален, которые концентрируют давление на образец. Обычно используется восемь кубических наковален из карбида вольфрама, которые сжимают керамический октаэдр с образцом внутри. Этот метод был разработан японскими учеными Каваи и Эндо. В отличие от ударной компрессии, давление в этом случае является постоянным, и образец можно нагревать с помощью печи. С помощью этого метода можно достигать давлений около 28 ГПа (что соответствует глубине 840 км) и температур выше 2300 °C. Хотя этот аппарат не может достигать таких же высоких давлений, как ячейка с алмазной наковальней, он позволяет работать с более крупными образцами.
Ячейка с алмазной наковальней
Ячейка с алмазной наковальней — это компактное устройство, которое может сжимать образцы до экстремальных давлений, превышающих 3 000 000 атмосфер (300 ГПа). Это давление превышает давление в центре Земли. Алмазы, используемые в этом устройстве, обладают высокой твердостью, что позволяет им эффективно концентрировать давление. Кроме того, их прозрачность и высокая теплопроводность позволяют использовать различные зонды для исследования состояния образца. Образцы можно нагревать до тысяч градусов, что делает этот метод особенно ценным для изучения свойств минералов.
Создание высоких температур
Для изучения физики минералов также важно создание высоких температур, аналогичных тем, что существуют в недрах Земли. Существует несколько методов достижения и измерения таких температур.