下地幔岩石波速、密度和状态方程的实验研究

高压实验技术的发展,为高温高压极端条件下的材料物性研究提供了不可或缺的技术基础。在实验室里创造出类似于地球内部不同深度的物理条件，并采用尽量多的原位探测手段来确定样品在各种热力学条件下的结构，测量它们的各种物性，以及物质之间的相互作用是高温高压研究的主要目的之一。针对下地幔地震波速大范围的异常,以及地幔对流、地幔柱和俯冲板块物质在下地幔条件下的行为等基本问题,本项目的主要任务是要利用动高压的实验手段,在下地幔极端温压条件下（实验设计压力范围为23Gpa-150Gpa,温度估计在1000K-5000K）就位测量下地幔的主要候选矿物的速度,密度等物理性质随着温度和压力的变化，利用测量到的参数，研究物质在下地幔条件下的状态方程。通过对于不同物质组合岩石在下地幔条件下的速度和密度研究，分析地幔对流过程中物质的结构和状态的变化，为地幔深部物质运动等基本地球动力学问题的研究提供实验基础。

利用冲击波进行的动高压实验对研究超高压下的物质性质是十分有效的。通过对于不同物质组合岩石在下地幔条件下的速度和密度研究，分析地幔对流过程中物质的结构和状态的变化，为地幔深部物质运动等基本地球动力学问题的研究提供实验基础。.本项目利用冲击波动高压实验，对地幔典型岩石橄榄岩、榴辉岩和辉长岩进行了岩石密度和纵波波速随压力变化的研究。压力范围从16GPa到70GPa。进而研究了这三种岩石的状态方程及相变特征。并探讨了实验结果的地球动力学含义。.对大麻坪采集的橄榄石进行了压力在10-45GPa范围的冲击波动高压实验。结合前人等温冷压实验结果，确定了实验过程的温度，对于冲击波实验压力从10GPa变化到30GPa时，温度在摄氏几十度到摄氏800多度之间。测量了岩石超高压下密度变化，在3.627-4.009 g/cm^3 之间. 通过回收实验和确定的温度，表明小于30GPa压力实验条件下，没有发生相变过程，样品处在亚稳态相。同时也确定了状态方程的参数。.对天然的和热压后的榴辉岩样品进行了压力在15-76GPa实验。热压样品冲击波实验得到了冲击波速度D 和粒子速度u 的一个线性关系D=3.62+1.49u. 拟合我们的热压样品和California 榴辉岩实验结果，得到密度ρ和压力P的线性关系ρ=0.018P+3.511. .利用光探针在14~39 GPa区间对热压烧结的辉长岩样品进行了冲击波加载实验。16 GPa开始，D-u线斜率有明显的变化，表明样品发生了相变。利用原始的Hugoniot曲线结合地震波状态方程（seismic equation of state）得到了Birch-Murnaghan型的等熵压缩线和相变能。前人的实验结果结合本次实验结果，得到了辉长岩的Grüneisen参数γ。计算得相变后的矿物集合体在常压下的密度为3.41 g/cm3。.在冲击波动高压实验中，利用位移多普勒干涉法对橄榄岩、榴辉岩和辉长岩的纵波波速进行了20多发的测量，得到了从上地幔软流层到下地慢上部压力范围的三种岩石的纵波波速值。.最后，从实验结果可以推断它在上地幔地球内部物质运动过程的含义，即冷板块中的亚临界橄榄岩可以存在地幔转换带中，但不能沉入到下地慢中。