外地核环境下Fe-Si体系状态方程和声速

摘要

根据地球化学,宇宙化学,地震学和地球转动惯量以及高温高压实验等方面的研究,现已判定外地核主要成分是铁,但含有少量轻质元素.原则上,任何以适当比例溶于液态铁,能降低它的密度,且同时提高它的地震波速,使之能与PREM模型数据相匹配的轻元素都可能是外地核中的候选轻元素.虽然已经表明Fe-S-Si体系极有可能是外地核的候选组分，但是S的含量又可能不是很高。因为根据地球化学限定，外地核中S元素的含量为2～3wt.%。故外地核中应含有5～8wt%的Si。但是目前有关Fe-Si体系在高温高压下的实验研究还比较少，尤其是动高压方面状态方程和声速的实验测量。本研究利用大腔体压机对Fe-9wt%Si粉末样品进行了烧结，利用阻抗匹配法和反碰法，对Fe-9wt%Si样品在冲击压缩状态下的状态方程进行了测量。结果表明，随着冲击压强和冲击温度的增大，发现剪切波出现了先增大后减小的趋势。笔者认为这是合理的，因为剪切波受温度影响很大。在冲击压强比较低时，温度也非常低，因此剪切波随压强增大。当冲击压强较高时，温度对剪切波的影响要大于压强对剪切波的影响，因而减小。很多金属在冲击下表现出类似的性质。Mao等人（2012）和Liu等人（2014）在室温下测量的Fe-8wt%Si8纵波声速与本次实验在高温高压下测量的Fe-9wt%Si的声速非常一致。这意味着在高压下，温度对Fe-9wt%Si的纵波声速影响很小，可以忽略不计。这为通过纵波声速限定内地核中Si的含量提供了实验依据。