[论文解读] Thermal evolution and sintering of chondritic planetesimals III. Modelling the heat conductivity of porous chondrite material

Stephan Henke, H. P. Gail+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2016

Astro and Planetary Science参考文献 41被引用 4

一句话总结

本研究通过模拟钙钙长石和基质颗粒的随机堆积，开发了一种数值模型，用于计算多孔球粒陨石物质的导热系数，考虑了孔隙率和微观结构的影响。结果表明，原始球粒陨石物质的导热系数高于现今陨石的导热系数，这是由于冲击引起的微裂纹所致；当将该模型应用于热演化模型时，成功再现了H球粒陨石的冷却数据。

ABSTRACT

The construction of models for the internal constitution and the temporal evolution of large planetesimals, the parent bodies of chondrites, requires information on the heat conductivity of the complex mixture of minerals and iron metal found in chondrites. It is attempted to evaluate the heat conductivity of a multi-component mineral mixture and granular medium from the heat conductivities of its mixture components. Random mixtures of solids with chondritic composition and packings of spheres are numerically generated. The heat conduction equation is solved in high spatial resolution for a test cube filled with such matter. From the heat flux through the cube the heat conductivity of the mixture is derived. The model results for porous material are consistent with data for compacted sandstone, but are at odds with measurements for H and L chondrites. The discrepancy is traced back to shock modification of the currently available meteoritic material by impacts on the parent body over the last 4.5 Ga. This causes numerous micro-cracks that act as additional barriers for heat transfer. The void structure in meteorites is different from that which probably existed in the pristine material of the parent bodies. The results obtained for the heat conductivity of the pristine material are used for calculating models for the evolution of the H chondrite parent body which are fitted to the cooling data of a number of H chondrites. The fit to the data good.

研究动机与目标

• 通过准确确定其多孔、多组分材料的导热系数，改进球粒陨石小行星的热演化模型。
• 解决陨石实测导热系数与理论预期之间的差异，这些差异受撞击引起的微裂纹影响而产生偏差。
• 通过颗粒堆积的数值模拟，模拟原始球粒陨石物质在冲击前的导热系数。
• 将推导出的导热系数应用于H球粒陨石母体的热演化建模，并拟合观测到的冷却速率。
• 评估当前陨石数据是否足以区分行星esimal演化中不同的孔隙率模型。

提出的方法

• 使用具有受控体积分数的随机算法，生成代表钙钙长石和基质颗粒的球形单元的三维随机堆积。
• 在填充有模拟颗粒材料的立方体区域内，于高分辨率有限差分网格上求解稳态热传导方程。
• 通过在固定温度梯度下测量通过立方体的热流，计算有效导热系数。
• 采用类似分子动力学的方法，施加人工力（重力、摩擦力和排斥力），模拟球体的随机堆积，直至达到力学平衡。
• 系统性地改变颗粒尺寸、孔隙率和组分体积分数，以探究导热系数对微观结构的依赖性。
• 将模拟得到的导热系数与球粒陨石和压实砂岩的实测数据进行比较，以识别导致差异的结构原因。

实验结果

研究问题

• RQ1 在原始未受冲击状态下，孔隙率如何影响球粒陨石物质的导热系数？
• RQ2 为何陨石实测导热系数的孔隙率依赖性与理论模型不同？
• RQ3 与原始多孔结构相比，陨石中撞击引起的微裂纹在多大程度上改变了其导热系数？
• RQ4 基于原始微观结构模拟得到的导热系数，能否再现H球粒陨石中观测到的冷却速率？
• RQ5 当前陨石冷却数据是否足以区分行星esimal热演化中不同的孔隙率模型？

主要发现

• 在零孔隙率条件下，模型推导出的球粒陨石物质导热系数与压实球粒陨石的实测值高度一致。
• 模拟颗粒介质（钙钙长石+基质）的导热系数孔隙率依赖性比实际陨石更陡峭，表明存在结构影响。
• 模拟结果与陨石数据之间的差异归因于冲击引起的微裂纹，这些裂纹形成裂隙而非孔隙，显著降低了导热系数。
• 模拟的原始微观结构（以孔隙为特征的空隙）的导热系数高于当前已受撞击影响的陨石材料。
• 采用模拟原始导热系数的热演化模型成功再现了H球粒陨石的冷却速率，表明与观测数据一致。
• 在不同孔隙率假设下均能与冷却数据良好拟合，表明当前陨石数据本身不足以区分竞争性的孔隙率模型。