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高温高压下熔体的状态方程研究
其他题名Equation of state of the melts at high temperature and high pressure
苏畅
学位类型博士
导师唐红峰 ; 刘永刚
2017
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点中国科学院地球化学研究所
关键词高温高压 声速 状态方程 金属铋熔体 硅酸盐熔体
摘要

在地球科学中,地球内部高温高压状态下的物理性质一直是研究的热点。尤其是在地幔软流圈和下地幔超低声速带,因此,高温高压下熔体的状态方程备受关注。而在推导状态方程中的重要部分,声速一直是高压实验测量中的重点测量参数。高温高压下物质的声速测量是高压科学的一项重要研究内容。过去的几十年,大腔体压机中的声速测量研究已经取得了巨大的进步,在地质、地球物理学和高压物理学等领域得到了充分的应用。为了能够得到更高质量的数据,在实验研究中,高温高压仪器设备的选择是设计实验时的一项重要环节。在本文中,我们将使用两种常用的高压试验方法来对熔体的声速进行测量,并通过热力学关系推导出熔体在高温高压下的状态方程和弹性参数。在静水压测量熔体声速实验中,我们使用了超声波反射法在六面顶压机上对金属铋熔体的声速进行了测量,并得到了压力至4.3GPa,从573K到973K共五个不同温度下的等温升压声速。之后,利用一系列经典的热力学关系式并结合前人对金属铋熔体常压下的测量数据,我们推导出了铋熔体密度、热膨胀系数、比热容、等温和绝热体积模量以及Grüneisen参数随着温度压力变化的拟合公式。在得到了液相的状态方程之后,我们利用之前有关固相的研究数据以及Gibbs自由能公式和Clausius-Clapeyron公式计算了至8GPa的熔化曲线。在5GPa以内,我们得到的计算结果与之前实验得到的熔化曲线具有很好的一致性,在外推至8GPa时,熔化曲线也在其他理论计算结果的变动范围之内。这一结果不仅证明了声速实验结果的准确性,也验证了使用热力学方法计算熔化曲线的可行性以及融化曲线的自洽性。在冲击波下测量熔体速度的实验中,我们在二级轻气炮上完成了测量从80GPa至134GPa下预加热至700摄氏度的的透辉石和钙长石混合玻璃熔体的冲击波速度和飞片。同时使用六通道测温仪的到了冲击瞬间样品的温度。利用Rankine-Hugoniot关系式,我们推导出了不同飞片速度撞击样品瞬间,样品的粒子速度、冲击密度和所受到的冲击压力,并得到了反应冲击速度和粒子速度关系的线性Hugoniot。利用线性Hugoniot得到了样品的体积模量之后,我们结合之前1500摄氏度的数据,计算出了混合玻璃的Grüneisen参数以及第二Grüneisen参数q的值。结果均在之前数据的结果范围之内。另外,我们也使用了三阶Birch-Murnaghan状态方程和冲击波状态方程计算了理论的冲击波速度,这与实验得到的温度结果相吻合。总体来说,无论是在静水压力下使用六面顶压机在低压下进行声速测量,还是在冲击波下使用二级轻气炮在高压下的声速进行测量,都取得了很好的实验结果,并得到了很高质量的熔体状态方程以及弹性参数数据。因此,在地质科学的高温高压实验中,要根据需要解决地质问题和所要研究的温度压力范围来设计实验步骤并选择合适的实验方法。

页数123
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.gyig.ac.cn/handle/42920512-1/9246
专题研究生
推荐引用方式
GB/T 7714
苏畅. 高温高压下熔体的状态方程研究[D]. 中国科学院地球化学研究所. 中国科学院大学,2017.
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