冲击波扰动法系统研究地核压力下铁的有效粘性及其相变

Iron is the main mineral in the earth, and its viscosity at high pressures and high temperatures has been one of the most concerned problems on the internal dynamics of the Earth, mineral phase transitions and the Earth's interior structure. The project studied the effective viscosity of iron under core pressure by the disturbance amplitude damping method of shock wave. In the experiments the improved electric probe measurement technology was used to solve the problem of accurately measuring the disturbance amplitude of sinusoidal shock front. The finite difference method was applied to obtain the numerical solutions for the mixed system, and the quantitative relationship between the disturbance amplitude damping and effective viscosity coefficient in flyer-impact flow field was got. Therefore, a precise method for measuring viscosity of substance under shock compression was established. The effective viscosity of iron under the pressure of core-mantle boundary and outer core (100-200GPa) and its change with pressure were studied. At the same time solid-solid phase transition and melting in the iron might be found. This research not only provides a reference for the study of the earth's physics, but also finds a feasible way for the study of the physical properties of the earth's deep materials.

金属铁是地球内部的主要矿物，它在地球深部条件下的粘性对研究地球内部结构、演化及动力学过程具有重要意义。本项目基于冲击波扰动方法研究地核压力下金属铁的粘性，在实验上努力提高电探针的测量技术以解决样品铁中冲击波波阵面扰动幅度的准确测量问题，在理论上建立混合体系的二维流场数值方法以得到样品流场中正弦形扰动幅度衰减特性与金属铁的有效粘性系数之间的定量关系，从而建立一套测量物质在高温高压下有效粘性的可靠方法。通过系统研究在接近核/幔边界和外核上部压力范围（100～200GPa）金属铁的有效粘性及其随冲击压力的变化规律，试图寻找金属铁固相之间的转变及铁的熔化的依据。开展本项研究不仅为地球物理学研究提供可参考的粘性数据，而且也为地球深部物质的物性研究寻找了一条可行的思路。

高温高压条件下金属铁的粘性是研究地球内部动力学过程不可或缺的物理量之一。本项目利用飞片碰撞扰动法，研究扰动冲击波在金属铁中的传播规律，分析金属铁的等效剪切粘性系数随冲击压力的变化规律。该成果具有重要的科学意义和地学应用背景。.本申请在完善实验方法和分析实验现象方面都获得了一些有价值的经验和结果。主要结论如下：1.数控加工的样品和支架精度可达0.01mm，样品测量面镀5微米薄膜既保证样品和电探针间绝缘又不影响冲击波演化，优化电路板设计使得电探针信号判读精度高达0.3ns，所有实验改进提高了离散式电探针方法的测量精度，但这一方法的精度还有待提高。2.利用飞片碰撞扰动方法获得冲击压力30～197GPa条件下冲击波波阵面扰动在样品铁中的衰减震荡过程，分析流场压力、速度等物理量的变化规律。3.利用粘性模型数值模拟飞片碰撞扰动实验流场的演化过程，并给出冲击波波阵面扰动数值解与铁的等效粘性之间的定量关联。4.粘性流场数值解分析实验数据，冲击压力30～197GPa条件下铁的剪切粘性系数处于103数量级，整体变化趋势随冲击压力升高而变大。5.在74GPa附近粘性系数出现突变，同步辐射X射线衍射实验中发现这一压力区附近存在铁的和相共存，所以粘性突变与相变之间存在一定关联。6.利用弹塑性模型，数值模拟飞片碰撞扰动实验流场的演化过程，并给出冲击波波阵面扰动数值解与铁的等效粘性之间的定量关联。通过对实验数据进行分析，在30～197GPa压力区间铁的屈服强度随压力升高而增大。7.材料的粘性使不同波长样品中冲击波波阵面扰动零幅点之间存在相差，而材料的弹塑性则不会，因此几何相似比方法成为获得材料剪切粘性（消除弹塑性影响）的有效思路。.本项目在执行过程中不仅完成了既定研究内容，还添加了部分研究内容，基本完成了项目的总体目标。