下地幔条件下MgSiO3声速的动高压实验研究

MgSiO3 is one of the main rock-forming minerals of the Earth’s lower mantle, which physical property under high pressure and high temperature is important basis for limiting the actual mineral compositions of lower mantle. However, the experimental data of MgSiO3 under high pressure and high temperature (equivalent to the lower mantle condition) is relatively insufficient at present, especially for the data of the sound velocity. It results in no unified conclusion about the mineral composition of the lower mantle. The project intends to take high-purity MgSiO3 enstatite synthesized under high pressure as the research object, measures its equation of state and sound velocity under the shock state of 80 to 140GPa with the recent developed shock wave experimental and diagnostic techniques. The experimental sound velocity data acquired in this project is an important supplement on the current research about the mineral composition of the deep mantle, and it has basis significance for future experimental research to design candidate minerals and ultimately placing tight constraints on the mineral composition of the lower mantle.

MgSiO3是地球下地幔的主要造岩矿物之一，其高温高压下的物性特征是限定下地幔实际矿物组成的重要依据。然而由于缺乏MgSiO3在高压同时高温（相当于下地幔）条件下的实验测量数据，特别是声速测量数据，目前对于下地幔的具体矿物组成没有统一定论。本项目拟以高压合成的高纯辉石相MgSiO3作为研究对象，借助近年来发展成熟的冲击波高压实验及其诊断技术，在80-140GPa冲击高压同时高温条件下测量状态方程和声速数据。实验获取的声速数据，是对目前深部地幔矿物组成研究的重要补充，对于今后高压实验研究的候选矿物设计，以及最终确定下地幔矿物构成具有基本的参考意义。

本项目旨在测量地球下地幔最主要的矿物MgSiO3在极端压力和温度条件下的状态方程。项目使用实验室合成的理想组分MgSiO3顽火辉石作为起始样品，采用冲击波加载手段，使得样品在冲击压缩过程中发生结构相变，从辉石结构相变到钙钛矿结构，我们同时测量其状态方程数据。这种测量结果可以和下地幔的地震波模型进行对比，以此确定下地幔中MgSiO3组分的可能含量。同时，MgSiO3在极端条件下（超过200GPa的冲击压力）的状态方程也是重要的参考依据，可以用来界定超级行星的星幔矿物结构和组成。我们总计获取了11个数据点，压力从大约55GPa一直延伸到207GPa。我们发现，在核幔边界（大约135GPa）MgSiO3的密度相对地震波模型给出的数值低大约5%，表明下地幔不可能是由纯的MgSiO3钙钛矿组成的。这个结论为进一步限定下地幔矿物组分提供了参考依据。此外，我们发现MgSiO3在195GPa冲击压力下发生了分解反应。模拟计算表明，分解物的状态方程对应MgO和SiO2的混合物。这一发现证明了在超级行星的星幔温度和压力条件下，MgSiO3不是稳定的矿物相，分解之后的氧化物组成将限定星幔的密度特征和热力学结构。