УДК 539.89:539.2:550.85
ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНСТАТИТА В СФЕРИЧЕСКИХ УДАРНЫХ ВОЛНАХ
© 2012 г. Е. А. Козлов*, Л. В. Сазонова**
*Российский федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. Е.И. Забабахина ул. Васильева, 13, а.я. 245, г. Снежинск Челябинской обл., 456770, Россия; e-mail: е.a.kozlov@vniitf.ru **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Геологический факультет Воробьевы Горы, Москва, 119899, Россия; e-mail: saz@geol.msu.ru, sazonovalv52@mail.ru
Поступила в редакцию 29.11.2011 г.
Получена после доработки 20.12.2011 г.
На основе анализа имеющейся расчетно-теоретической и экспериментальной информации выявлены противоречия и сформулированы цели и задачи обобщающего исследования поведения энстатита (MgSiO3) в ударно-изэнтропических волнах различного масштаба и интенсивности. Представлены постановка и результаты взрывного эксперимента по сферическому обжатию энстатитового шара с его последующим сохранением и изучением обжатого вещества из разных по радиусу характерных зон, возникших в процессе нагружения шара, методами: сканирующей электронной микроскопии, рамановской спектроскопии, рентгеновской дифрактометрии. На основании сопоставления наблюдаемых по радиусу обжатого шара закономерных изменений структуры, химического и фазового состава энстатита с расчетными оценками давлений P(R, t) и температур T(R, t) сделаны следующие выводы: начало плавления энстатита на изэнтропе после разгрузки с состояния ударного сжатия начинается с охх « 80 ГПа, плавление же MgSiO3 непосредственно во фронте сферически сходящейся ударной волны — при охх « 160 ГПа и Т « 6300 К. Впервые в ударно-волновых экспериментах лабораторного масштаба при нагружении энстатита сферическими ударно-изэнтропическими волнами обнаружено возникновение в обжатом MgSiO3 ряда морфологических и минералогических особенностей, не отмечавшихся ранее при нагружении плоскими волнами меньшей амплитуды и длительности. Сформулированы цели дальнейших исследований обжатого вещества. Обсуждается необходимость постановки и проведения взрывного эксперимента с использованием сферической системы в 5—7 раз большего габарита для увеличения длительности импульса нагрузки.
ВВЕДЕНИЕ
Энстатит — важный породообразующий минерал коры и мантии Земли, а также ряда планет и метеоритов. Хотя полученных до настоящего времени экспериментальных данных (Jakubith, Hornemann, 1981; Hornemann, 1994; Deutsch, Stöffler, 1994; Hackbarth, Langenhorst, 1994) по градуировке энстатитового геотермобарометра явно недостаточно для количественного определения пороговых уровней давлений (точнее продольных напряжений, когда речь идет об области твердофазных преобразований) и температур, результаты изучения особенностей изменений микроструктуры, химического и фазового состава этого минерала после воздействия на него волнами напряжений существенно различной амплитуды и длительности используются (в первом приближении) для классификации метеоритного вещества и пород из природных метеоритных кратеров (Фельдман, 1990; Флоренский, Дабижа, 1980; Badjukov, 1985; Лаврухина, Мельникова, 1984; Stöffler et al., 1988, 1991).
Среди ударных эффектов, используемых для такой классификации (Фельдман, 1990), отмечены: формирование планарных разрушений, моза-ицизм, снижение двупреломления и начало амор-физации в твердом состоянии, замещение орто-на клиноэнстатит, возможное дальнейшее превращение в более симметричную фазу высокого давления — меджорит. Сохранение меджорита (пироксена со структурой граната) после ударно-волнового нагружения удалось выявить лишь в энстатитсодержащих породах из окрестностей природного метеоритного кратера Жаманшин диаметром около 13 км (Вафикоу 1985). Попытки синтеза этой фазы высокого давления в плоских взрывных экспериментах по сохранению типа (Иогпешапп, 1994; ИаскЪагШ й а1., 1994) оказались безрезультатными. Данное обстоятельство, возможно, связано с недостаточной длительностью импульса нагрузки во взрывных экспериментах лабораторного масштаба.
Для того чтобы определить условия возникновения в энстатите в разных зонах по радиусу обжатого образца отмеченных изменений структу-
ры и фазового состава, систематически изучить сами изменения, нами по аналогии с (Kozlov, 1996; Козлов, 1999; Козлов и др., 1997а, 19976; Сазонова и др., 1997) проведен взрывной эксперимент по нагружению энстатитового шара сферически сходящейся ударной волной.
В отличие от всех ранее осуществленных экспериментов с плоскими ампулами сохранения (Jakubith, Hornemann, 1981; Hornemann, 1994; Deutsch, Stöffler, 1994; Hackbarth et al., 1994) в нашем сферическом эксперименте реализованы существенно более высокие не только амплитуды, но и длительности импульса нагрузки. Кроме того, в единичном эксперименте в разных областях по радиусу обеспечен уникально широкий диапазон изменения давлений, температур, плотностей энергии, позволяющий провести систематические сравнительные исследования изменений свойств обжатого минерала по радиусу шара.
Помимо задачи экспериментальной градуировки энстатитового геотермобарометра для изучения природных метеоритных кратеров и метеоритов, исследование этого минерала и горных пород на его основе представляет интерес и при рассмотрении вопроса о глубинном строении и составе верхней и нижней мантии Земли (Ringwood, 1975; Irifune et al., 1996; Kesson et al., 1995; Ahmed-Zaid, Madon, 1995; O'Neill, Jeanloz, 1994; D'Arco et al., 1994; Mao et al., 1991; Funamori, Yagi, 1993; Yagi, 1994), принципиальном решении вопроса о возможном существовании у MgSiO3 еще более плотной и симметричной, чем меджорит, фазы высокого давления при 23 < P < 130 ГПа и 1750 < Т< 3000 К.
Кроме того, проведенный сферический взрывной эксперимент по обжатию энстатитового шара и результаты последующих систематических исследований изменений обжатого минерала по радиусу будут полезны для контроля и проверки полуэмпирических моделей (Wolf, Bukowinski, 1987; Kapusta, Gulliope, 1993; Wentzcovitch et al., 1993; Ahrens, Gaffney, 1971; Jeanloz, Ahrens, 1977; Watt, Ahrens, 1986) описания поведения энстатита в волнах напряжений различного масштаба и интенсивности как в области деформации минерала в твердом состоянии, так и в областях протекания всех возможных полиморфных и фазовых (плавление и испарение) превращений.
УДАРНАЯ СЖИМАЕМОСТЬ ЭНСТАТИТА И ГОРНЫХ ПОРОД НА ЕГО ОСНОВЕ
Все имеющиеся на сегодняшний день экспериментальные данные по ударной сжимаемости энстатита (Симаков, Трунин, 1973; LASL Shock Hugoniot Data, 1988) и энстатитовых горных пород (McQueen et al., 1967; Ahrens, Gaffney, 1971; Jeanloz, Ahrens, 1977; Watt, Ahrens, 1986) с различ-
ной начальной плотностью образцов представлены в координатах давление—удельный объем на рис. 1. Описание этих экспериментальных данных проведено простейшим уравнением состояния в форме с предельным сжатием (аналогично, например, (Ко21оу, 1996; Козлов и др., 1997а)):
n ( h - к а)
h -
n + 1
n - 1
n 2n ri
а +-а - ( h + 1 )
n - 1
(1)
= Pofo [an-1], n
(2)
где: рг — давление на ударной адиабате (или адиабате Гюгонио); рх — давление холодного сжатия; h = 1 + 2/y — предельное сжатие; у — коэффициент Грюнайзена; ро — кристаллическая плотность при абсолютном нуле; роо — объемная плотность образца; co — объемная скорость звука; n — показатель степени в кривой холодного сжатия px(a); а = p/po — сжатие; к = po/poo — коэффициент пористости.
Наилучшее описание крутой ветви ударной адиабаты энстатитовой горной породы (показано пунктирной кривой на рис. 1) получено при
h = 3.25, n = 3, co = 6.05 км/с и po = 3.57 г/см3. (3)
Достоверные данные по изэнтропам разгрузки и скоростям звука энстатита в ударно-сжатом состоянии в литературе отсутствуют, также, кстати, как и информация по возникновению в минерале и горных породах на его основе сложной структуры ударных волн и волн разрежения, связанных с протеканием в породах при сжатии и разгрузке полиморфных и фазовых превращений. По этой причине при проведении расчетных оценок, достигавшихся в описываемом сферическом эксперименте, давлений P(R, t) и температур T(R, t) в эн-статитовом шаре использовалось простое однофазное, указанное выше, уравнение состояния.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНСТАТИТА
Согласно существующим оценкам (Anderson, 1989), по крайней мере 85% нижней мантии Земли состоит из чистого перовскита — орторомбиче-ского MgSiO3 (Pbnm). Детальное поведение этого минерала в условиях воздействия высоких давлений и температур, характерных для нижней мантии (23 < P < 130 ГПа, 1750 < Т< 3000 К), все еще не установлено.
Сравнительный кристаллохимический анализ (Andrault, Poirier, 1991) свидетельствует о возможности существования стабильной кубической
2
г
x
л С
(-Н
CD
S X
<D §
cd
225 -
200 -
175 -
150 -
125 -
100
75 -
50
25 -
0
0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.32
Удельный объем, см3/г
Рис. 1. Экспериментальные данные по ударной сжимаемости энстатита и энстатитовых горных пород. Энстатит: а — начальная плотность роо = 3.04 г/см3 (Симаков, Трунин, 1973); б—д — роо = 2.76; 2.83; 2.95; 3.01 г/см3 соответственно (LASL Shock Hugoniot Data, 1988). Энстатитовые горные породы: е — (McQueen et al., 1967), ж — (Ahrens, Gaffney, 1971), з - (Jeanloz, Ahrens, 1977), и - (Watt, Ahrens, 1986).
Символы — экспериментальные данные: незалитые — энстатит, залитые — энстатитовые горные породы. Сплошная и точечная кривые — аппроксимация экспериментальных точек. Пунктирная кривая — аппроксимация крутой ветви адиабаты энстатитовых пород с использованным в данной работе уравнением состояния (1) с набором параметров (3).
(Pm3m) фазы MgSiO3. Молекулярно-динамиче-ские (Wolf, Bukowinski, 1987; Kapusta, Gulliope, 1993) и полуэмпирические расчеты указывают на возможность таких полиморфных превращений, но в условиях, недостижимых пока в статических экспериментах (Mao et al., 1991; Funamori, Yagi, 1993; Yagi, 1994). Известны и теоретические работы (Wentzcovitch et al., 1993), исключающие такую возможность.
Определенный свет на эту проблему могут пролить динамические эксперименты,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.