MgO-FeO和Fe-Ni-S体系的高温高压研究及其地球物理意义

论文摘要

钙钛矿MgSiO3和镁方铁矿（Mg，Fe）O作为地球下地幔含量最丰富的候选矿物，其高温高压实验数据用来与地震学探测数据进行对比以限定下地幔的真实矿物学组分。本学位论文以冲击波动高压实验技术和多面体压砧静高压实验技术为高压加载手段，测量了下地幔重要候选矿物—镁方铁矿（Mg，Fe）O及MgO在下地幔底部高温高压条件（136GPa，5000K）下的状态方程，分析了可能存在的相变；研究了二元体系MgO-FeO和三元体系Fe-Ni-S的高温高压相图。这些研究，提升了对地球深部组分模型和矿物学模型的认识，并为解释下地幔底部地震波数据的异常现象提供了物理支持。 本文研究主要取得以下一些认识： （1）由于天然的钙钛矿MgSiO3和镁方铁矿（Mg，Fe）O很难得到，给这两种矿物的高温高压实验研究工作带来不便。本文分别用活塞圆筒（Piston-cylinder）和大腔体二级压砧（Mutli-anvil）技术在高温高压下合成了大块钙钛矿结构的MgSiO3和不同Fe／Mg比的镁方铁矿（Mg，Fe）O样品，对所得到样品进行了微区电子探针、拉曼光谱和X射线衍射的分析。为高压实验特别是冲击压缩实验提供了满足实验要求的高压相初始样品。 （2） 测量了单晶MgO在114和192 GPa冲击压缩下的Hugoniot数据。结合前人的冲击波数据，揭示了沿MgO的P—V Hugoniot线在170±10 GPa存在体积不连续的本质。由于这一压力点对应的冲击温度仅为3000±400 K，大大低于熔化温度，从而排除了熔化引起体积变化的可能。因此我们认为Hugoniot线上1.9％的体积增加，是MgO从立方体结构的B1相（NaCl-type）向六角密堆积结构的B8相（NiAs-type）转变所引起。此结果进一步深化了对MgO在高温高压下相转变的认识，有重要的科学意义。 （3） 为了进一步对解释并验证对实验结果的分析，本文还在200 GPa的压力范围内用基于局域密度近似的第一性原理方法模拟考察了MgO在B1相（NaCl）、B2相（CsCl）、B4相（wurtzite）和B8相（NiAs）四种不同结构下的相对稳定性。结果表明，实验测得的MgO Hugoniot线上在170±10 GPa处（对应的温度约3000±400 K）发生的～2％体积跃变可以用MgO从B1相（NaCl）到B8相（NiAs）的结构相变来解释。通过对比计算结果和实验数据得到了在高

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 MgO-FeO体系的高温高压相变
• 1.2.1 MgO的高温高压相变
• 1.2.2 （Mg,Fe）O的高温高压相变
• 1.2.3 MgO的高温高压相变
• 1.3 高温高压下（Mg,Fe）O的P-V-T状态方程
• 1.4 本论文研究内容和结构分布
• 3的高压合成'>第二章 大块镁方铁矿（Mg,Fe）O和钙钛矿MgSiO₃的高压合成
• 2.1 引言
• 2.2 合成实验
• 2.2.1 初始样品准备
• 2.2.2 高温高压实验技术
• 2.2.3 高温高压实验
• 2.2.4 对样品的电子探针、拉曼光谱和X射线衍射分析
• 2.3 小结
• 第三章 冲击压缩下镁方铁矿MgO的相变
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 冲击波实验技术简介
• 3.2.2 冲击波实验
• 3.3 结果和讨论
• 3.4 结论及其预示的意义
• 第四章 高压下MgO相稳定性的第一性原理计算
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法
• 4.3 结果及讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 高温高压下（Mg,Fe）O的相变
• 5.1 引言
• 5.2 （Mg,Fe）O的冲击压缩实验
• 5.3 （Mg,Fe）O的高温高压相变
• 5.3.1 Bl-（Mg,Fe）O的冲击压缩性质
• 5.3.2 （Mg,Fe）O的自旋相变
• 5.3.3 FeO含量对（Mg,Fe）O相变的影响
• 5.4 本章结果所反映的地球物理意义
• 第六章 Ni对Fe-Ni-S体系高温高压相图的影响
• 6.1 引言
• 6.2 Fe-Ni-S体系的高温高压实验
• 6.3 结果及讨论
• 6.4 本章小结以及行星物理意义
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文