基于Fe-S高压声速实验限定地球外核组分

摘要

根据地球物理、地球化学和高压实验研究,液态地球外核的主要成分是铁,同时含有约10wt％的轻元素,例如碳、氢、氧、硫、硅 .然而外地核中究竟含有哪些轻元素,这些轻元素的含量各是多少,至今仍存在诸多争议.在上述轻元素中,S被认为是外地核中的主要候选轻元素之一:地壳和地幔中S的含量要比其他挥发性元素少几个量级,这有可能意味着在早期地球形成过程中S随Fe进入了外地核;铁陨石之中基本都存在S元素;Fe-S体系有较低的共晶熔化温度.Fe88.2S11.8实验样品是由高纯度FeS和Fe粉末混合而成。为了是样品充分混合，在球磨机中研磨1个小时。样品的烧结条件为2GPa和850摄氏度。SEM和EDS显示烧结后的样品中S元素是均匀分布的，并且样品非常密实。声速实验主要在动高压实验装置一一二级气体炮上进行，测量方法为光分析技术和反向碰撞技术，压强范围为70GPa-210GPa。在相同的密度下，Fe-S, Fe-O-S体系的声速要明显高于Fe的声速;Fe90O8S2体系的声速要高于Fe88.2S11.8体系的声速。这说明O和S元素都能提高Fe的声速;但是在轻元素含量相同的情况下，高压下0对Fe的声速的影响效果要明显高于S。在外地核的温度、压强环境下，相比于其他组分，Fe-lOwt%aS的声速和PREM模型更匹配，但是其斜率与外地核的声速一密度关系亦存在差异。这意味着除了S元素外，外地核中可能还含有Si或C等元素。