Минеральная физика и геофизика высоких давлений

Минеральная физика воссоздает экстремальные давления и температуры глубоких слоев Земли в лабораторных условиях, измеряя, как трансформируются минералы и как изменяются их упругие и транспортные свойства для интерпретации геофизических наблюдений.

Definition

Минеральная физика и геофизика высоких давлений — это экспериментальное и теоретическое исследование свойств и поведения минералов и металлов при высоких давлениях и температурах недр Земли, предоставляющее данные о материалах, необходимые для интерпретации геофизических наблюдений глубоких слоев Земли.

Scope

Эта тема охватывает физику и химию земных материалов в условиях глубоких недр: уравнения состояния, связывающие давление, объем и температуру, фазовые переходы при высоких давлениях, которые подразделяют мантию, а также упругие, тепловые и транспортные свойства минералов и металлов ядра. Она рассматривает экспериментальные методы ячейки с алмазными наковальнями и ударного сжатия, роль расчетов из первых принципов, а также использование этих данных для интерпретации сейсмической скорости, плотности и проводимости. Акцент делается на связи лабораторных измерений с глубокими слоями Земли.

Core questions

• Как уравнения состояния описывают минералы при давлениях глубоких слоев Земли?
• Какие фазовые переходы структурируют мантию и как они обнаруживаются?
• Как достигаются экстремальные давления и температуры в лаборатории?
• Как данные минеральной физики интерпретируют сейсмическую скорость и плотность?

Key concepts

• Уравнения состояния и объемный модуль упругости
• Фазовые переходы минералов при высоких давлениях
• Ячейка с алмазными наковальнями и ударное сжатие
• Упругие, тепловые и электрические свойства минералов
• Расчеты свойств материалов из первых принципов

Key theories

Уравнения состояния земных материалов

Уравнения состояния, такие как формулировка Бирча-Мурнагана, описывают, как объем минерала реагирует на давление и температуру, позволяя экстраполировать лабораторные данные на условия глубоких слоев Земли и сравнивать их с сейсмической плотностью и скоростью.

Фазовые переходы в мантии

Возрастающее давление приводит к последовательным более плотным структурам мантийных минералов, и открытие постперовскитного перехода в силикате магния объяснило особенности самой нижней мантии, демонстрируя, как эксперименты высокого давления разрешают структуру глубоких слоев Земли.

Mechanisms

При возрастающем давлении атомы упаковываются плотнее, и минералы принимают новые кристаллические структуры с более высокой координацией, что приводит к фазовым переходам, отмечающим сейсмические границы; лабораторные устройства, такие как ячейка с алмазными наковальнями с лазерным нагревом, и эксперименты с ударными волнами воспроизводят эти условия для измерения плотности, модулей упругости и проводимости, которые все чаще дополняются квантово-механическими расчетами, предоставляя данные о свойствах, которые превращают сейсмические профили в утверждения о составе и температуре.

Clinical relevance

Данные минеральной физики незаменимы для интерпретации сейсмической томографии и эталонных моделей Земли с точки зрения состава и температуры, для понимания конвекции мантии и ядра, а также для ограничения глубокого цикла воды и углерода.

History

Бриджмен был пионером экспериментов высокого давления в начале двадцатого века, Бирч применил физику высокого давления к Земле в 1950-х годах, ячейка с алмазными наковальнями и лазерный нагрев позже достигли условий глубокой мантии и ядра, а открытие постперовскита в 2004 году продемонстрировало продолжающееся влияние этой области на интерпретацию глубоких слоев Земли.

Key figures

• Percy Bridgman
• Francis Birch
• Jean-Paul Poirier
• Kei Hirose

Seminal works

• poirier2000
• birch1952
• murakami2004

Frequently asked questions

Как в лабораториях достигаются давления ядра Земли?

Основным инструментом является ячейка с алмазными наковальнями, которая сжимает крошечный образец между кончиками двух алмазов ювелирного качества для создания миллионов атмосфер давления, часто в сочетании с лазерным нагревом; эксперименты с ударным сжатием достигают еще более высоких давлений на короткое время, а компьютерное моделирование еще больше расширяет диапазон.

Почему минеральная физика необходима для понимания глубоких слоев Земли?

Сейсмология измеряет скорость распространения волн и плотность недр, но для того, чтобы превратить эти числа в утверждение о том, из чего состоят недра и насколько они горячи, необходимо знать, как ведут себя потенциальные минералы на глубине, что именно и измеряет минеральная физика.