[论文解读] Decaying shock studies of phase transitions in MgOSiO2 systems: implications for the Super-Earths interiors

R. Bolis, G. Morard+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2016

High-pressure geophysics and materials被引用 10

一句话总结

本研究利用激光驱动衰减冲击波，模拟超级地球地幔条件，在极端压力（高达1.2 TPa）下研究了MgO、MgSiO3和Mg2SiO4的相变行为。结果表明，这些氧化物的熔化与金属化并不重合，表明在熔点附近存在电导率较低的液相——这对理解超级地球内部发电机的形成机制至关重要。

ABSTRACT

We report an experimental study of the phase diagrams of periclase (MgO), enstatite (MgSiO3) and forsterite (Mg2SiO4) at high pressures. We investigated with laser driven decaying shocks the pressure/temperature curves of MgO, MgSiO3 and Mg2SiO4 between 0.2-1.2 TPa, 0.12-0.5 TPa and 0.2-0.85 TPa respectively. A melting signature has been observed in MgO at 0.47 TPa and 9860 K, while no phase changes were observed neither in MgSiO3 nor in Mg2SiO4. An increasing of reflectivity of MgO, MgSiO3 and Mg2SiO4 liquids have been detected at 0.55 TPa -12 760 K, 0.15 TPa - 7540 K, 0.2 TPa - 5800 K, respectively. In contrast to SiO2, melting and metallization of these compounds do not coincide implying the presence of poor electrically conducting liquids close to the melting lines. This has important implications for the generation of dynamos in Super-earths mantles.

研究动机与目标

• 确定与超级地球内部相关的MgO、MgSiO3和Mg2SiO4的高压相图。
• 研究极端条件下硅酸盐和氧化物液相的熔化行为及电学性质。
• 评估熔化与金属化不重合对行星发电机生成的影响。
• 通过激光驱动实验中的衰减冲击压缩模拟超级地球地幔条件。
• 测量多TPa压力下硅酸盐和氧化物液相的反射率与温度演化。

提出的方法

• 采用激光驱动衰减冲击压缩，在MgO、MgSiO3和Mg2SiO4样品中产生瞬态的高温高压状态。
• 通过时间分辨反射率测量追踪压缩液相中电子性质的变化。
• 利用状态方程模型，根据冲击波速度和反射率数据推断压力与温度。
• 通过反射率和温度分布的不连续性识别相变。
• 实验探测的压力范围为0.2至1.2 TPa，温度最高达9860 K。
• 数据分析重点在于识别液相中熔化的特征信号和金属化的临界阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超级地球地幔条件下，MgO在何种压力和温度下发生熔化？
• RQ2 MgSiO3和Mg2SiO4在类似极端条件下是否发生相变或熔化？
• RQ3 在高压下，MgO、MgSiO3和Mg2SiO4液相中熔化与金属化是否存在解耦现象？
• RQ4 这些液相在熔点附近电导率如何演化？
• RQ5 电导率较低的液相对超级地球地幔发电机生成有何影响？

主要发现

• MgO在0.47 TPa和9860 K时发生熔化，表现为反射率和温度分布的显著变化。
• 在0.5 TPa和0.2 TPa的压力下，MgSiO3和Mg2SiO4均未观察到相变。
• 在MgO中检测到0.55 TPa–12,760 K的反射率增加，在MgSiO3中为0.15 TPa–7540 K，在Mg2SiO4中为0.2 TPa–5800 K，表明发生金属化。
• 在三种化合物中，熔化与金属化均不重合，表明在熔点附近存在电导率较低的液相。
• 熔化与金属化未同时发生，暗示超级地球地幔中的电导率可能受限，从而影响发电机生成机制。
• 这些发现挑战了硅酸盐地幔中液相呈现金属行为的假设，强调需重新评估超级地球发电机模型。