فیزیک کانیها و ژئوفیزیک فشار بالا
فیزیک کانیها، فشارها و دماهای شدید اعماق زمین را در آزمایشگاه بازسازی میکند و با اندازهگیری چگونگی تغییر کانیها و خواص الاستیک و انتقال آنها، مشاهدات ژئوفیزیکی را تفسیر میکند.
Definition
فیزیک کانیها و ژئوفیزیک فشار بالا، مطالعه تجربی و نظری خواص و رفتار کانیها و فلزات در فشارها و دماهای بالای درون زمین است که دادههای مواد لازم برای تفسیر مشاهدات ژئوفیزیکی اعماق زمین را فراهم میکند.
Scope
این موضوع به فیزیک و شیمی مواد زمین در شرایط اعماق داخلی میپردازد: معادلات حالت مربوط به فشار، حجم و دما، گذارهای فازی فشار بالا که گوشته را تقسیمبندی میکنند، و خواص الاستیک، حرارتی و انتقالی کانیها و فلزات هسته. همچنین به تکنیکهای تجربی سلول سندان الماس و فشردهسازی شوکی و نقش محاسبات اصول اولیه، و استفاده از این دادهها برای تفسیر سرعت لرزهای، چگالی و رسانایی میپردازد. تأکید بر پیوند اندازهگیریهای آزمایشگاهی با اعماق زمین است.
Core questions
- معادلات حالت چگونه کانیها را تحت فشارهای اعماق زمین توصیف میکنند؟
- کدام گذارهای فازی گوشته را ساختار میدهند و چگونه کشف میشوند؟
- چگونه فشارهای و دماهای شدید در آزمایشگاه به دست میآیند؟
- دادههای فیزیک کانیها چگونه سرعت و چگالی لرزهای را تفسیر میکنند؟
Key concepts
- معادلات حالت و مدول حجمی
- گذارهای فاز کانیها در فشار بالا
- سلول سندان الماس و فشردهسازی شوکی
- خواص الاستیک، حرارتی و الکتریکی کانیها
- محاسبات اصول اولیه خواص مواد
Key theories
- معادلات حالت مواد زمین
- معادلات حالت مانند فرمولبندی بیرچ-مورناگان توصیف میکنند که چگونه حجم یک کانی به فشار و دما پاسخ میدهد و امکان برونیابی دادههای آزمایشگاهی به شرایط اعماق زمین و مقایسه با چگالی و سرعت لرزهای را فراهم میآورد.
- گذارهای فاز گوشته
- افزایش فشار، کانیهای گوشته را از طریق ساختارهای متوالی متراکمتر هدایت میکند، و کشف گذار پست-پرووسکایت در سیلیکات منیزیم، ویژگیهای پایینترین بخش گوشته را توضیح داد و نشان داد که چگونه آزمایشهای فشار بالا ساختار اعماق زمین را روشن میکنند.
Mechanisms
تحت فشار فزاینده، اتمها متراکمتر میشوند و کانیها ساختارهای بلوری جدیدی با هماهنگی بالاتر اتخاذ میکنند که منجر به گذارهای فازی میشود که ناپیوستگیهای لرزهای را مشخص میکنند؛ دستگاههای آزمایشگاهی مانند سلول سندان الماس با گرمایش لیزری، و آزمایشهای موج شوک، این شرایط را برای اندازهگیری چگالیها، مدولهای الاستیک و رساناییها بازتولید میکنند که به طور فزایندهای با محاسبات مکانیک کوانتومی تکمیل میشوند و دادههای خواص را فراهم میکنند که پروفایلهای لرزهای را به اظهاراتی درباره ترکیب و دما تبدیل میکنند.
Clinical relevance
دادههای فیزیک کانیها برای تفسیر توموگرافی لرزهای و مدلهای مرجع زمین از نظر ترکیب و دما، برای درک همرفت گوشته و هسته، و برای محدود کردن چرخه عمیق آب و کربن ضروری هستند.
History
بریجمن در اوایل قرن بیستم پیشگام آزمایشهای فشار بالا بود، بیرچ در دهه ۱۹۵۰ فیزیک فشار بالا را در مورد زمین به کار برد، سلول سندان الماس و گرمایش لیزری بعداً به شرایط گوشته عمیق و هسته رسیدند، و کشف پست-پرووسکایت در سال ۲۰۰۴ نمونهای از تأثیر مستمر این رشته بر تفسیر اعماق زمین بود.
Key figures
- Percy Bridgman
- Francis Birch
- Jean-Paul Poirier
- Kei Hirose
Related topics
Seminal works
- poirier2000
- birch1952
- murakami2004
Frequently asked questions
- آزمایشگاهها چگونه به فشارهای هسته زمین دست مییابند؟
- ابزار اصلی سلول سندان الماس است که یک نمونه کوچک را بین نوک دو الماس با کیفیت جواهر فشرده میکند تا میلیونها اتمسفر فشار تولید کند، که اغلب با گرمایش لیزری ترکیب میشود؛ آزمایشهای فشردهسازی شوکی به طور موقت به فشارهای حتی بالاتر میرسند، و شبیهسازیهای کامپیوتری دامنه را بیشتر گسترش میدهند.
- چرا فیزیک کانیها برای درک اعماق زمین ضروری است؟
- لرزهنگاری سرعت حرکت امواج و چگالی درون زمین را اندازهگیری میکند، اما تبدیل این اعداد به بیانیهای درباره اینکه درون زمین از چه چیزی ساخته شده و چقدر داغ است، مستلزم دانستن رفتار کانیهای کاندید در عمق است، که دقیقاً همان چیزی است که فیزیک کانیها اندازهگیری میکند.