高温高压下硫元素对纯铁的声速的影响

外地核物质的成分、状态以及由此引发的运动与保护人类生存的地磁场密切相关。当地质学家依据通过地球内部的地震波分析外地核物质的成分、结构及矿物学和物理状态等信息时，必须要了解地核候选物质在外地核区高温度、高压强环境下的弹性信息。为了了解外地核中轻元素对纯铁的声速的影响，本项目选取外地核中的S作为研究对象，利用动高压加载技术测量FeS、Fe-FeS混合物在高温高压下的声速，并经理论分析建立公式来定量分析S在高温高压下对纯铁的声速的影响。如果此公式对其它元素亦成立，将对外地核中轻元素的种类、含量以及外地核的成分对流、地磁场产生的机理等具有非常重要的意义。

根据地球物理、地球化学、高压实验等方面的研究，现已确定外地核的主要成分是液态铁（Fe），同时含有约10wt%的轻元素。尽管轻元素的含量很少，但是却对发生在地核内部的许多重大地球物理事件产生重要的影响：例如外地核的冷却速率，固体内地核的生长，地核对流的动力学机制，以及地球磁流体发电机的运行与演化。经过长期研究，人们认为这些轻元素有可能为碳（C)、氢（H)、氧（O)、硫（S)、硅（Si）的一种或几种，但是有关这些轻元素的种类和含量至今仍存在大量的争论。在上述轻元素中，根据宇宙化学方面的证据以及地球早期吸积过程中的化学反应，人们认为Ｏ元素是外地核中的主要候选轻元素之一。而外地核中Ｏ的含量对于解释地球早期吸积过程中的氧化状态、温度、压力等具有重要意义。为了限定外地核中O含量，我们对Fe-O-S (Fe-2.2wt%O-5.3wt%S, 简写为Fe92.5O2.2S5.3; Fe-11.8wt%S, 简写为Fe98.2S11.8）体系在冲击状态下的状态方程、声速和高压熔化行为进行了实验研究。并与已测的Fe90O8S2体系的声速相比较，发现在相同的密度下，Fe98.2S11.8的体波声速比FeFe90O8S2低，但是比Fe92.5O2.2S5.3高。上述实验结果表明，在相同的密度下，O对Fe的体波声速的影响要明显大于S。在外地核的温度和压强环境下，同其它成分相比，Fe90O0.5S9.5体系的密度和声速与外地核更匹配。这就排除了Ｏ元素作为外地核主要候选轻元素的可能性，因为在铁中加入Ｏ元素就会致使其密度和声速与外地核不匹配。而贫氧外地核则说明早期地球吸积过程是在还原条件下完成的。