兆巴冲击压缩条件下金属铁和顽火辉石的粘滞性实验研究

在地核和地幔条件下，金属铁和(Mg,Fe)SiO3钙钛矿的粘滞性对核幔动力学以及核幔边界稳定性研究具有重要意义。本项目基于光纤阵列传感技术和窄脉冲光电测量技术解决冲击波波阵面扰动幅度的准确测量问题；利用飞片碰撞方法解决扰动初始流场的相似性问题；建立一套准确测量物质在兆巴冲击压力下有效粘性系数的实验方法；研究外地核和下地幔压力条件下金属铁和（Mg,Fe）SiO3钙钛矿的有效粘滞性及其随冲击压力的变化规律。在40-120GPa冲击压缩条件下系统研究钙钛矿的有效粘滞性，揭示70-85GPa声速"软化"区粘性系数随压力的变化特征。在80-180GPa冲击压缩条件下系统研究金属铁的有效粘滞性，揭示初始密度为6.9g/cm3的疏松铁在120GPa附近发生冲击熔化时其粘性系数随压力的变化特征。开展本项研究将推动高温高压高应变速率条件下凝聚态物质粘滞性研究，同时为深部地球物理学研究建立新的实验手段。

在兆巴压力下地幔和地核物质的粘滞特性是地球科学领域非常关注的问题之一.本课题利用轻气炮加载手段，提出一种光纤阵列新技术测量冲击波扰动衰减特性，完善飞片碰撞小扰动方法，并获得了二辉橄榄岩和金属铁在冲击高压下的等效粘性系数值。在技术创新方面，本课题建立了光纤阵列冲击波传感新技术，它弥补了我们过去发展起来的电探针阵列技术的局限性，解决了绝缘介质的粘性测量问题。围绕该目标，我们在冲击发光、光学窗口透明性、以及冲击相变方面开展了一系列探索工作。在科学方法创新方面，我们发展了二维混合粘性冲击流场的数值解方法。本课题限定了地球核幔条件下铁和橄榄岩的等效粘性系数值在103Pa.s量级，比一般液态物质偏高4-5个量级。这些研究结果具有重要的科学意义，基本达到了课题的总体预期目标。 本课题在以下几方面取得进步：（1）发展一种新的光纤阵列技术，该技术可以观测绝缘介质中冲击波扰动衰减特性；（2）改进分散式电探针测量技术，在50-160GPa压力区间内获得一组金属铁的高压粘性系数的实验数据，其等效粘性系数值在103Pa.s量级；（3）首次在橄榄石的低压稳定区获得一组二辉橄榄岩的Hugoniot物态方程实验数据，并在40GPa附近限定它的等效粘性系数值在103Pa.s量级；（4）在样品碰撞面的几何相似比不变情况下，发现金属等效粘性系数的测量结果具有一致性，显示飞片碰撞扰动流场具有几何相似性。基于“连续流体”模型的数值解也证明该流场具有相似特征；（5）发展了一套求解冲击波粘性流场方程的数值解方法，更加合理地建立起波后高温高压流体的粘性系数与波阵面扰动震荡关系；（6）通过数值求解二维双组分混合介质的冲击波流场，首次揭示出非对称碰撞条件下冲击波扰动衰减特性。