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金屬鐵核的電阻率:磷化鐵礦物高溫高壓下電阻率研究新進展

發布時間:2019-07-19

現有的研究認為,地球及類地天體(月球、火星、水星及木星的一些衛星等)都具有相似的核幔結構。這些天體的核部被認為是鐵合金為主,加上不同含量的輕元素(碳,硅,氧,硫,磷等)。對純金屬鐵在高溫高壓條件下的電阻率研究一直是了解內核物理性質的重要手段。金屬的熱導率受控于電子傳熱和聲子傳熱(晶格振動),其中電子傳熱占主導地位,因此通過Wiedemann-Franz公式可以由金屬的電阻率計算得到其熱導率。金屬的熱導率極高,在高溫高壓原位條件下進行測量極為困難,原位測量金屬的電阻率則為我們獲得金屬鐵核的熱導率提供了一種途徑。金屬核的熱學參數對于限定核幔之間的熱流、核內的熱分布、固液相的狀態、固態內核的形成年齡等具有重要的意義。同時,大量的實驗發現:輕元素(如硅,碳等)的存在會顯著地增大純鐵的電阻率,引起熱導率下降。在達到熔融溫度時,純金屬及含輕元素這兩種情況下的電阻率的變化也有明顯的不同。因此,了解輕元素對鐵在高溫高壓條件下的電阻率的影響將為我們揭示行星金屬鐵核電阻率變化的情況和可能的熱導率變化模型。 

最近中國科學院地球化學研究所地球內部物質高溫高壓院重點實驗室翟雙猛課題組的博士研究生尹遠,在3.2 GPa壓力及1800 K溫度以內,開展了磷化鐵礦物高溫高壓條件下原位電阻率四線法測量的工作。研究結果表明:三種磷化鐵礦物(FePFe2PFe3P)在高溫高壓下具有相近的電阻率(1-6 μ??m),都比相同條件下純鐵電阻率(~1 μ??m)大,說明磷的加入增大了鐵的電阻率。與鐵硅合金及化合物的研究結果進行比較,發現磷對提升電阻率的作用更強,且達到熔融溫度時都會出現電阻率突然下降的現象。通常純鐵在熔融時電阻率會小幅增大,但在3.2 GPa下,Fe3P在達到熔點溫度時電阻率下降了~33%,這可能會導致固態內核和液態外核共存時其界面上產生明顯的電阻率不連續,并引發熱結構的不連續。如果在一些具有固態內核及液態外核的類地天體中含有一定量的Fe3XXCSiSP等),其內外核邊界上也可能會產生同樣的不連續。 

上述成果發表在Nature Index雜志,國際地學著名期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》上:Yin, Y., Zhai, K., Zhang, B., Zhai, S., 2019. Electrical resistivity of iron phosphides at high-pressure and high-temperature conditions with implications for lunar core’s thermal conductivity. J. Geophys. Res. Solid Earth, 124, 5544-5556. 

全文鏈接:https://doi.org/10.1029/2018JB017157 

本研究得到了國家自然科學基金等項目資助。 

      

 

1. 不同溫壓條件下FeFePFe2PFe3P的電阻率 

      

 

2. 不同輕元素含量的鐵合金及化合物的電阻率 

    

  (高壓室 翟雙猛課題組/供稿) 

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