Fe-S-P三元体系的高温高压相图和电阻率测量及其对月核成分和热演化的启示

Previous studies suggest that the lunar core contains some amount of light elements, but the species and contents of light elements are still uncertain. Sulfur is considered as an important candidate light element in the lunar core. Phosphorus, a siderophile element with a close mass to sulfur, is regarded as one of the candidate light elements in the lunar core. In this proposal high-pressure and high-temperature experiments will be carried out on the Fe-S-P ternary system by using large volume presses (including cubic press and Kawai-type multianvil apparatus). The phase diagram of Fe-S-P ternary system will be established under the pressure and temperature conditions of 1~6 GPa and 1000~1800 K. The electrical resistivity of Fe-S-P alloy and melt will be measured by adopting a four-wire method under the pressure and temperature conditions of 4~6 GPa and 300~1800 K covering the lunar core conditions. The recovered samples will be characterized and analyzed by X-ray diffraction, electron microprobe and scanning electron microscope to identify the phases, the chemical compositions and structural morphology. Based on the obtained Fe-S-P phase daigram, new constraints will be made on the composition of lunar core. Using the measured electrical resistivity of Fe-S-P alloy and melt, the thermal conductivity will be calculated for further estimation of the heat flux of lunar core-mantle boundary. Then the thermal evolution history of the lunar core will be discussed.

前人的研究认为月核含有一部分轻元素，但轻元素的种类和含量仍然存在不确定性。硫被认为是月核中的一种重要的候选元素。磷与硫具有接近的质量，而且也具有亲铁性，被认为是另一种月核中的候选元素。本申请项目拟以Fe-S-P三元体系为研究对象，在1000~1800 K和1~6 GPa的温压条件下，采用高温高压实验装置（六面顶压机、Kawai型二级压机）开展系统的相图实验研究，并在300~1800 K和4~6 GPa条件下采用四线法测量Fe-S-P合金和熔体样品的电阻率，利用X射线衍射仪、电子探针和扫描电镜等进行物相、化学成分和结构形态等方面的分析，建立Fe-S-P三元体系在月球温压条件下的相图并约束月核的成分，揭示Fe-S-P合金和熔体在月核条件下的电阻率，计算月核的热导率及月球核幔边界的热通量，进而探讨月核的热演化历史。

前人的研究认为月核含有一部分轻元素，但轻元素的种类和含量仍然存在不确定性。硫被认为是月核中的一种重要的候选元素。磷与硫具有接近的质量，而且也具有亲铁性，被认为是另一种月核中的候选元素。本项目开展了Fe-P二元体系和Fe-S-P三元体系的高温高压实验，完成了Fe-P体系三种化合物、Fe-3 wt% P及Fe-4 wt% P-2 wt% S和 Fe-5 wt% P-5 wt% S合金电阻率的高温高压实验测定。建立了Fe-P和Fe-S-P体系的高温高压相图；揭示了磷和硫在固相铁中的溶解度；阐明了磷在固相铁和液相铁中的分配系数随着压力的变化；限定了月球固态内核和液态外核中磷和硫的含量（固态内核中含有0.05 wt% S 和 0.07 wt% P，液态外核中含有0.54 wt% P 和 6.08-7.15 wt% S）；讨论了固态内核结晶机制的转变（即含有0.3 wt% P和2.98-3.45 wt% S的原始月核，首先将以“自下向上”的方式固化生长出一个较小的金属固态内核，在这一过程中，由于固相金属铁无法溶解足够多的S和P，轻元素S和P将从固态内核中释放出来进入液态外核，液态外核中S和P的丰度将逐渐增加。当外核中的（S+P）总量超过4.5 wt%时，内核的形成机制将从“自下而上”转换成“从上而下”，最终导致凝固的铁将以下雪（iron snow）的方式沉淀到已凝固的固态小核表面，进一步生长成较大的固态内核）；确定了温度、压力和成分对Fe-P体系化合物及Fe-S-P 合金电阻率的影响；计算了月球核幔边界处的绝热传导热流和热通量；论证了月球热对流发电机在37.8-35.1亿年左右开始减弱和内核结晶机制在39.5-37.5亿年左右发生转换，导致月球全球性的磁场在35亿年左右发生磁场强度的骤降，由此演化至今月球已无全球性磁场。