Vật lý khoáng vật và Địa vật lý áp suất cao

Vật lý khoáng vật tái tạo áp suất và nhiệt độ cực cao của sâu bên trong Trái Đất trong phòng thí nghiệm, đo lường cách các khoáng vật biến đổi và cách các tính chất đàn hồi và vận chuyển của chúng thay đổi để giải thích các quan sát địa vật lý.

Definition

Vật lý khoáng vật và địa vật lý áp suất cao là nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về các tính chất và hành vi của khoáng vật và kim loại ở áp suất và nhiệt độ cao trong lòng Trái Đất, cung cấp dữ liệu vật liệu cần thiết để giải thích các quan sát địa vật lý về sâu bên trong Trái Đất.

Scope

Chủ đề này bao gồm vật lý và hóa học của vật liệu Trái Đất trong điều kiện sâu bên trong: các phương trình trạng thái liên hệ áp suất, thể tích và nhiệt độ, các chuyển pha áp suất cao phân chia lớp phủ, và các tính chất đàn hồi, nhiệt và vận chuyển của khoáng vật và kim loại lõi. Nó đề cập đến các kỹ thuật thí nghiệm của tế bào đe kim cương và nén sốc, vai trò của tính toán từ nguyên lý đầu tiên, và việc sử dụng các dữ liệu này để giải thích vận tốc địa chấn, mật độ và độ dẫn điện. Trọng tâm là liên kết các phép đo trong phòng thí nghiệm với sâu bên trong Trái Đất.

Core questions

• Các phương trình trạng thái mô tả khoáng vật dưới áp suất sâu bên trong Trái Đất như thế nào?
• Những chuyển pha nào cấu trúc lớp phủ và chúng được tìm thấy như thế nào?
• Làm thế nào để đạt được áp suất và nhiệt độ cực cao trong phòng thí nghiệm?
• Dữ liệu vật lý khoáng vật giải thích vận tốc và mật độ địa chấn như thế nào?

Key concepts

• Các phương trình trạng thái và mô đun khối
• Các chuyển pha khoáng vật áp suất cao
• Tế bào đe kim cương và nén sốc
• Các tính chất đàn hồi, nhiệt và điện của khoáng vật
• Tính toán từ nguyên lý đầu tiên về các tính chất vật liệu

Key theories

Các phương trình trạng thái của vật liệu Trái Đất

Các phương trình trạng thái như công thức Birch-Murnaghan mô tả cách thể tích của một khoáng vật phản ứng với áp suất và nhiệt độ, cho phép ngoại suy dữ liệu phòng thí nghiệm đến các điều kiện sâu bên trong Trái Đất và so sánh với mật độ và vận tốc địa chấn.

Các chuyển pha lớp phủ

Áp suất tăng đẩy các khoáng vật lớp phủ qua các cấu trúc dày đặc hơn liên tiếp, và việc phát hiện ra chuyển pha post-perovskite trong silicat magiê đã giải thích các đặc điểm của lớp phủ dưới cùng, minh họa cách các thí nghiệm áp suất cao giải quyết cấu trúc sâu bên trong Trái Đất.

Mechanisms

Dưới áp suất tăng, các nguyên tử đóng gói chặt hơn và các khoáng vật hình thành các cấu trúc tinh thể mới với sự phối trí cao hơn, tạo ra các chuyển pha đánh dấu các đứt gãy địa chấn; các thiết bị phòng thí nghiệm như tế bào đe kim cương với gia nhiệt laser, và các thí nghiệm sóng xung kích, tái tạo các điều kiện này để đo mật độ, mô đun đàn hồi và độ dẫn điện, ngày càng được bổ sung bằng tính toán cơ học lượng tử, cung cấp dữ liệu tính chất biến các hồ sơ địa chấn thành các tuyên bố về thành phần và nhiệt độ.

Clinical relevance

Dữ liệu vật lý khoáng vật là không thể thiếu để giải thích chụp cắt lớp địa chấn và các mô hình Trái Đất tham chiếu về thành phần và nhiệt độ, để hiểu đối lưu lớp phủ và lõi, và để hạn chế chu trình sâu của nước và carbon.

History

Bridgman đã tiên phong trong các thí nghiệm áp suất cao vào đầu thế kỷ 20, Birch đã áp dụng vật lý áp suất cao vào Trái Đất vào những năm 1950, tế bào đe kim cương và gia nhiệt laser sau đó đã đạt đến điều kiện của lớp phủ sâu và lõi, và việc phát hiện ra post-perovskite vào năm 2004 đã minh họa tác động liên tục của lĩnh vực này đối với việc giải thích sâu bên trong Trái Đất.

Key figures

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

Seminal works

• poirier2000
• birch1952
• murakami2004

Frequently asked questions

Làm thế nào các phòng thí nghiệm đạt được áp suất của lõi Trái Đất?

Công cụ chính là tế bào đe kim cương, nén một mẫu nhỏ giữa các đầu của hai viên kim cương chất lượng đá quý để tạo ra hàng triệu atmosphere áp suất, thường kết hợp với gia nhiệt laser; các thí nghiệm nén sốc đạt được áp suất cao hơn nữa trong thời gian ngắn, và các mô phỏng máy tính mở rộng phạm vi hơn nữa.

Tại sao vật lý khoáng vật cần thiết để hiểu sâu bên trong Trái Đất?

Địa chấn học đo tốc độ sóng truyền đi và mật độ bên trong, nhưng để biến những con số đó thành một tuyên bố về thành phần và nhiệt độ của bên trong đòi hỏi phải biết các khoáng vật ứng cử viên hoạt động như thế nào ở độ sâu, đó chính xác là những gì vật lý khoáng vật đo lường.