熔融橄榄石固溶体系列高温高压下超声波速研究

高温高压熔体的密度及其与围岩的对比是决定地球及行星内部重力分异和化学演化的重要参数。也是当前地球深部研究的前沿和热点，具有很大的挑战性。熔体的密度受温度、压力、成分（包括水、二氧化碳等挥发分）、氧逸度等条件影响。前人研究指出地震观测中发现的地球内部的波速异常与熔体的存在有关。为了验证这个推断，进一步了解熔体在地球内部高温高压下的性质，申请人决定从熔融橄榄石入手，运用当前研究地幔矿物及其它材料高压弹性的最尖端的同步辐射X射线、X射线成像、及超声干涉量度学方法和大体积压机有机结合来对橄榄石熔体的弹性性质进行研究，并导出橄榄石熔体的状态方程。本项目是一项具有很大探索性与创新性的研究，将会对高压熔体的研究及认识地幔的性状和地幔作用过程起到推动作用

本项目针对当前对于富铁橄榄石（fayalite, Fe2SiO4）及其高压相ringwoodite的研究存在严重不足的问题，通过高温高压同步辐射X射线衍射、X射线成像及超声干涉量度法等先进技术，对铁橄榄石及Fe2SiO4- ringwoodite的热弹性性质和热状态方程进行了研究，得到了关于铁橄榄石及Fe2SiO4-ringwoodite的一系列热弹性参数及热力学参数，包括体积模量、剪切模量及二者对温度和压力的导数等热弹性参数及常温常压体积、常温常压体积模量、体积模量对温度和压力的导数、热膨胀系数的参数、热膨胀系数与等温体积模量的积、压力对温度的二阶导数、无量纲量q, 格林乃森常数等热力学参数。通过与前人不同成分的橄榄石及ringwoodite固溶体的结果进行对比，总结了铁的含量对于热弹性参数的影响，计算出了在520 km和660km不连续面发生相变时引起的密度和波速跳跃，并且跟地震观测数据进行了对比，提出了对于地球深部结构和组成的新认识。并且探索了对于铁橄榄石熔体的超声测量的方法和技术，为今后进一步研究熔体的状态方程积累了丰富的经验。由于本研究主要依赖于资源有限并竞争激烈的国外同步辐射大压机线站的实验研究（目前国内同步辐射国家实验室尚无大压机设备），因此机时申请和实验的周期比较长，目前采集了相关数据，并且完成了数据分析，成果正在总结投稿过程中，期望在1-2年之内发表。我们将在后续工作中通过与美国纽约州立大学石溪分校的李宝生教授合作，将继续完成有关铁橄榄石熔体及其它熔体的波速的高温高压原位测量，实现用超声干涉量度法对于熔体状态方程高温高压原位研究的突破。