矿物物理学与高压地球物理学

矿物物理学在实验室中重现地球深部的极端压力和温度，测量矿物如何转变以及它们的弹性和传输性质如何变化，以解释地球物理观测结果。

Definition

矿物物理学和高压地球物理学是对地球内部高压高温条件下矿物和金属的性质和行为进行的实验和理论研究，为解释地球深部的地球物理观测提供所需的材料数据。

Scope

本主题涵盖地球物质在深部条件下的物理和化学性质：描述压力、体积和温度之间关系的物态方程，划分地幔的高压相变，以及矿物和地核金属的弹性、热学和传输性质。它涉及金刚石压砧和冲击压缩的实验技术，以及第一性原理计算的作用，以及如何利用这些数据解释地震波速度、密度和电导率。重点在于将实验室测量结果与地球深部联系起来。

Core questions

• 物态方程如何描述地球深部压力下的矿物？
• 哪些相变构成了地幔结构，它们是如何被发现的？
• 实验室中如何达到极端压力和温度？
• 矿物物理学数据如何解释地震波速度和密度？

Key concepts

• 物态方程和体积模量
• 高压矿物相变
• 金刚石压砧和冲击压缩
• 矿物的弹性、热学和电学性质
• 材料性质的第一性原理计算

Key theories

地球物质的物态方程

Birch-Murnaghan公式等物态方程描述了矿物体积如何响应压力和温度，从而可以将实验室数据外推到地球深部条件，并与地震密度和速度进行比较。

地幔相变

压力增加驱动地幔矿物经历连续的更致密结构，硅酸镁中后钙钛矿相变的发现解释了最下地幔的特征，这表明高压实验如何解析地球深部结构。

Mechanisms

在压力升高时，原子排列更紧密，矿物会形成配位数更高的新晶体结构，从而产生标志着地震不连续性的相变；金刚石压砧结合激光加热等实验室设备以及冲击波实验，能够重现这些条件以测量密度、弹性模量和电导率，这些数据正日益通过量子力学计算得到补充，从而提供将地震剖面转化为关于成分和温度陈述的性质数据。

Clinical relevance

矿物物理学数据对于根据成分和温度解释地震层析成像和地球参考模型、理解地幔对流和地核，以及限制水和碳的深部循环至关重要。

History

布里奇曼在20世纪初开创了高压实验，伯奇在20世纪50年代将高压物理学应用于地球研究，金刚石压砧和激光加热后来达到了深地幔和地核条件，2004年对后钙钛矿的发现例证了该领域对深地解释的持续影响。

Key figures

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

Seminal works

• poirier2000
• birch1952
• murakami2004

Frequently asked questions

实验室如何达到地核的压力？

主要工具是金刚石压砧，它将一个微小样品夹在两个宝石级金刚石的尖端之间，产生数百万大气压的压力，通常与激光加热结合；冲击压缩实验可以在短时间内达到更高的压力，而计算机模拟则进一步扩展了范围。

为什么需要矿物物理学来理解地球深部？

地震学测量波传播的速度和地球内部的密度，但要将这些数字转化为关于内部组成和温度的陈述，就需要了解候选矿物在深部的行为，这正是矿物物理学所测量的。