论文题目: 高压下铁的熔化曲线及外地核候选组分的约束性研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 凝聚态物理
作者: 黄海军
导师: 经福谦,蔡灵仓,毕延
关键词: 外地核候选组分体系,高压熔化线,高温高压下的声速,模型
文献来源: 中国工程物理研究院
发表年度: 2005
论文摘要: 本文目的是研究地球深部物质在高温高压环境下的物性,主要限定在对地核材料的物性研究,其方法是采用凝聚态物理理论及近年发展起来的高压实验技术来研究深部地球物理问题,因而属于一种学科交叉的研究课题。研究内容由两部分构成,第一部分是高压下铁的熔化曲线,第二部分是从对外地核候选组分Fe/FeO/FeS（重量百分比为58.96/35.83/5.21）混合物的Hugoniot线、声速和熔化温度的测量出发,对外地核成分进行约束性研究。文中取得的有创新意义的结果归纳如下: 一、铁是地核的主要成分。通常认为地核又是由液态外核和固态内核组成,因而铁的高压熔化曲线是备受关注的科学问题,因为通过它可以推断出内外核界面（ICB）处（330GPa）的温度（严格讲是一级近似温度,又称锚定（anchor）温度）,从而进一步推断出地核的温度剖面。但是近二十年来,在铁的高压熔化曲线的研究中还存在一个长期未能澄清的科学问题,即用冲击波方法测到的200GPa以上ε（hcp）-铁的熔化温度要比用金刚石压砧（DAC）装置测到的100GPa以下的数据呈系统性的偏高。虽然在最新的DAC实验中使用的X—射线衍射和激光双面加热技术克服了样品内温度梯度过大等技术问题,在冲击波方法中也考虑到了对过热熔化修正的影响,两者之间的偏差有所缩小,但是其间的偏差依然存在。在前人（李西军等人,见本院研究生部李西军博士毕业论文,2000年;Luo et al,Phys。Earth Planet。Inter,2004,143:369）根据Hugoniot声速数据确定了过热熔化温度后,再经过修正得到平衡熔化温度的方法中存在不确定性的基础上,本文提出了一个新的通过能量平衡原理直接计算平衡熔化温度的热力学计算方法。本文根据最新的Hugoniot声速测量结果,用这种分析方法计算了冲击压强为260GPa时铁的平衡熔化温度（5300K）,并以这个点为参考点通过Lindemann熔化定律计算了ε-铁的高压熔化曲线,把它外推到低压下,发现与静高压最新的测量结果（Shen et al., Geophys Res Lett, 1998, 25: 373; Ma et al., Phys. Earth Planet. Inter., 2004, 143: 455）是一致的,从而得到了一条可以统一最新静高压和动高压熔化线测量数据的ε-铁的熔化曲线,解决了以上所说的一个科学难题。这就是本文的主要创新点。上述工作还进一步得到以下三个方面分析结果的支持。 1、基于ε相铁的OK等温状态方程和有效Gruneisen参数γeff以及比热Cv等基本物性参数,用热力学方法计算了固态、固-液混合态、液态铁的Hugoniot线。对于固态和液态铁,计算的P—V线与实验测量数据符合得很好,这也表明这种计算方法也可以很好的区分Hugoniot实验数据中固相区和液相区。但在很窄的固-液混合压力区内,由于被测样品中的冲击波分裂为两个波阵面,冲击波速度和粒子速度的实验数据有较大的分散性,因而实验数据和计算曲线之间有一些不大的区别。但是就总体而言,理论计算与实验测量数据的一致性表明了以上计算方法和所用参数值的合理性。
论文目录:
第一章 铁的高压熔化曲线的研究意义、研究现状
1.1 高压下铁的熔化曲线的研究意义
1.2 铁的高压熔化曲线的研究现状
1.3 本文第一部分研究内容
参考文献
第二章 高压下铁的熔化曲线和状态方程
2.1 引言
2.2 高压下ε铁的熔化曲线
2.2.1 ε铁Hugoniot声速平衡熔化点(260GPa)的温度T_m的确定
2.2.2 高压下ε铁的熔化曲线
2.3 铁的Hugoniot线计算
2.4 沿Hugoniot线铁的冲击温度计算
2.5 沿Hugoniot线铁的有效Grüneisen参数γ_(eff)计算
2.6 沿Hugoniot线铁的体波声速计算
2.7 小结
参考文献
第三章 外地核候选组分的研究意义、研究现状
3.1 外地核组分的研究意义
3.2 外地核组分的研究现状
3.2.1 地核的基本组分
3.2.2 外地核密度亏损
3.2.3 外地核中轻元素的研究现状
3.2.4 外地核中轻元素的含量
3.3 本文第二部分研究内容
参考文献
第四章 Fe-O-S样品的Hugoniot线测量
4.1 引言
4.2 Fe-O-S混合物样品的设计与制备
4.3 实际Fe-O-S混合物样品的Hugoniot线预估
4.4 Fe-O-S混合物样品的Hugoniot线测量
4.4.1 实验原理
4.4.2 实验装置及数据分析
4.4.3 实验测量结果
4.5 小结
参考文献
第五章 Fe-O-S混合物的高压声速和卸载熔化温度的测量
5.1 引言
5.2 Fe-O-S混合物的高压声速测量
5.2.1 实验原理
5.2.2 实验系统与测量技术
5.2.3 实验结果及分析
5.3 Fe-O-S混合物卸载熔化温度的测量
5.3.1 实验装置
5.3.2 辐射高温计的工作原理与标定
5.3.3 界面温度的确定
5.3.4 实验结果与分析
5.4 小结
参考文献
第六章 外地核的温度剖面与物质组成
6.1 引言
6.2 轻元素的掺入对铁的熔化温度的影响
6.3 外地核的温度剖面
6.4 Fe-O-S在外地核温压状态下的密度
6.5 Fe-O-S混合物在外地核温压状态下的体波声速
6.6 小结
参考文献
第七章 全文总结
致谢
附录
发布时间: 2005-10-21
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