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X射线表明下地幔岩浆可能被重元素稳定

26 Feb 2019
土切面
X射线视觉:新技术以与地球下地幔相同的压力研究物质。 (礼貌:Shutterstock / Johan Swanepoel)

德国的研究人员已经开发出一种研究高压样品的新方法。他们的方法涉及在同步加速器设施中进行X射线发射光谱分析,并支持这样的想法,即地球下地幔中的岩浆通过重元素的积累而得以稳定。

岩浆在地壳中上升是因为它的密度小于周围相同成分的物质。但是,地球下地幔中的岩浆看上去更稳定,表明那里的岩浆密度与其周围环境相似。因此,已经提出,地幔中的岩浆被诸如铁之类的重元素所富集,或者在极端压力下特殊的压实机制增加了岩浆密度。

为了研究材料在地幔深处的行为,研究人员通过压缩金刚石砧中的样品来产生极高的压力。然后,使用X射线(其能量足以穿过样品,并且其波长足够短以解析原子级细节),然后用于确定样品的结构。传统上在高压研究中使用两种方法,一种基于X射线的吸收,另一种基于X射线穿过样品时的衍射。

能量和强度

现在, 乔治·史匹克曼 波茨坦大学的研究人员及其同事开发了第三种X射线方法,既可以确定无序物质中的原子键长,也可以确定原子具有的直接相邻原子的数量。“coordination number”. An increase in 协调号 under high pressure would be one sign of a heightened compaction mechanism. The new approach works by exciting a sample with X-rays, and then analysing the radiation emitted. The energy and intensity of a particular emission line – dubbed Kβ”–可分别用于确定配位数和键合距离。

使用 佩特拉三世 在德国DESY的X射线源中,研究人员将该技术应用于压缩的非晶态二氧化锗-其结构类似于岩浆的主要成分二氧化硅。他们发现,即使在100 GPa的压力下(在2200 km的深度处位于地幔中),锗原子也永远不会超过六个邻域。这类似于在15 GPa下测得的值,表明没有特殊的压紧机制。

后果深远

“将其转移到地球上的硅酸盐岩浆’较低的地幔,这意味着密度只能大于或等于周围晶体的密度的岩浆只能通过富集重元素(如铁,”施皮克曼解释说。“下地幔的成分和结构对全球热量输送和地球影响深远’s magnetic field.”

詹姆斯·德鲁特(James Drewitt)布里斯托大学的地球物理学家,“这是一个有趣的结果,因为它减少了氧化物岩浆和周围的固体深下地幔之间密度交叉的可能性。”.

未参与这项研究的德鲁伊特(Drewitt)也指出“该结果与最近在高压下对二氧化锗和二氧化硅玻璃的同步加速器X射线衍射测量结果存在直接矛盾”。这些研究表明,具有六个以上氧原子的局部结构单元在超高压下出现。他总结说,尽管需要更多的研究来解决这一争议,但新方法代表了研究深行星内部的重要工具。

随着初步研究的完成,Spiekermann及其同事正在考虑使用更复杂的材料,例如像天然硅酸盐熔体一样包含改性氧化物的材料。研究这些原子不仅需要考虑原子最近的邻居,而且还需要考虑原子中距离较远的原子。“第二协调壳”.

“For example, the degree of polymerization of a network is a 第二协调壳 effect,”Spiekermann指出,并补充:“将来我们将证明Kβ”对玻璃的聚合度敏感,这超出了其他X射线技术的能力。”

该研究在杂志上有描述 物理评论X.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者