Минерална физика

Минерална физика — наука за материјалите што ја сочинуваат внатрешноста на планетите, особено на Земјата. Таа се совпаѓа со петрофизиката, која се фокусира на својствата на целата карпа. Таа обезбедува информации што овозможуваат толкување на површинските мерења на сеизмичките бранови, гравитационите аномалии, геомагнетните и електромагнетните полиња во однос на својствата во длабоката внатрешност на Земјата. Овие информации можат да се користат за да се добијат увиди во тектониката на плочите, плаштовото струење, геодинамото и сродните феномени.
Лабораториската работа по минерална физика бара мерења на висок притисок. Најчестата алатка е дијамантска наковална ќелија, која користи дијаманти за да стави мал примерок под притисок што може да се приближи до условите во внатрешноста на Земјата.
1 Создавање висок притисок
1.1 Компресија на удар
Многу од пионерските студии во физиката на минерали вклучувале експлозии или проектили кои го подложуваат примерокот на удар. За краток временски интервал, примерокот е под притисок додека ударниот бран минува низ него. Со овој метод се постигнати притисоци високи како и на Земјата. Сепак, методот има некои недостатоци. Притисокот е многу нерамномерен и не е адијабатски, па затоа бранот на притисок го загрева примерокот при минување. Условите на експериментот мора да се толкуваат во однос на збир на криви на притисок-густина наречени ''Хугониови криви''.
1.2 Преса за повеќекратна наковална преса
Пресите со повеќе наковални вклучуваат распоред на наковални за концентрирање на притисокот од пресата врз примерокот. Типично, апаратот користи распоред од осум наковални од волфрам-карбид во облик на коцка за компресирање на керамички октаедар што го содржи примерокот и керамичка или метална печка од реангрум. Наковалните обично се поставуваат во голема хидраулична преса . Методот бил развиен од Каваи и Ендо во Јапонија. За разлика од ударната компресија, притисокот што се врши е стабилен, а примерокот може да се загрее со помош на печка. Притисоци од околу 28 GPa (еквивалентно на длабочини од 840км), и температури над 2300°C, може да се постигне со употреба на WC наковални и печка од лантан хромит. Апаратот е многу гломазен и не може да постигне притисоци како оние во ќелијата со дијамантска наковална (подолу), но може да се справи со многу поголеми примероци кои можат да се гаснат и испитаат по експериментот. Неодамна, за овој тип на преса се развиени синтерувани дијамантски наковални кои можат да достигнат притисоци од 90 GPa (2700км длабочина).
1.3 Дијамантска наковална ќелија
Дијамантската наковална ќелија е мал преносен уред за концентрирање на притисок. Може да компресира мало парче материјал (под милиметар во големина) до екстремни притисоци, кои можат да надминат 3.000.000 атмосфери (300 гигапаскали). Ова е над притисоците во центарот на Земјата. Концентрацијата на притисок на врвот на дијамантите е можна поради нивната тврдост, додека нивната транспарентност и високата топлинска спроводливост овозможуваат користење на различни сонди за испитување на состојбата на примерокот. Примерокот може да се загрее до илјадници степени.
2 Создавање високи температури
Постигнувањето на температурите слични на оние во внатрешноста на Земјата е исто толку важно за проучувањето на минералната физика како и создавањето високи притисоци. Се користат неколку методи за достигнување на овие температури и нивно мерење. Резистивното загревање е најчестиот и наједноставен за мерење. Примената на напон на жица ја загрева жицата и околната површина. Достапен е голем избор на дизајни на грејачи, вклучувајќи ги оние што го загреваат целото тело на дијамантската наковална ќелија (DAC) и оние што се вклопуваат во телото за да ја загреат комората за примероци. Температури под 700°C може да се достигнат во воздух поради оксидацијата на дијамантот над оваа температура. Со аргонска атмосфера, повисоки температури до 1700 °C може да се достигне без оштетување на дијамантите. Волфрамски отпорен грејач со Ar во BX90 DAC е пријавен за постигнување на температури од 1400°C.
Ласерското загревање се врши во дијамантско-наковална ќелија со Nd:YAG или CO ласери за да се постигнат температури над 6000k. Спектроскопијата се користи за мерење на зрачењето на црното тело од примерокот за да се одреди температурата. Ласерското загревање продолжува да го проширува температурниот опсег што може да се достигне во дијамантско-наковалната ќелија, но има два значајни недостатоци. Прво, температурите под 1200 °C е тешко да се измерат со овој метод. Второ, во примерокот постојат големи температурни градиенти бидејќи се загрева само делот од примерокот погоден од ласерот.
3 Својства на материјалите
3.1 Равенки на состојба
За да се заклучат својствата на минералите во длабочините на Земјата, потребно е да се знае како нивната густина варира со притисокот и температурата. Таквата релација се нарекува равенка на состојба (EOS). Едноставен пример за EOS што е предвиден од Дебаевиот модел за хармонични вибрации на решетката е равенката на состојба Мие-Гринхајзен:
:<math> \left(\frac{dP}{dT} \right) = \frac{\gamma_D}{V}C_V, </math>
каде <math>C_V</math> е топлинскиот капацитет и <math>\gamma_D</math> е Дебајовата гама. Вториот е еден од многуте Гринхајзенови параметри кои играат важна улога во физиката на висок притисок. Пореалистичен EOS е равенката на состојбата на Берч-Мурнаган.
3.2 Интерпретација на сеизмички брзини
Инверзијата на сеизмичките податоци дава профили на сеизмичката брзина како функција од длабочината. Тие сепак мора да се толкуваат во однос на својствата на минералите. Многу корисна евристика открил Франсис Берч: цртајќи податоци за голем број карпи, тој пронашол линеарна врска помеѓу брзината на компресивниот бран . <math>v_p</math> на карпи и минерали со константна просечна атомска тежина <math>\overline{M}</math> со густина <math>\rho</math>:<math> v_p = a \overline{M} + b \rho </math>.
Оваа врска станала позната како Берчов закон. Овој закон овозможува екстраполирање на познатите брзини за минералите на површината за да се предвидат брзините подлабоко во Земјата.
3.3 Други физички својства
* Вискозитет
* Повлекување (деформација)
* Топење
* Електрична спроводливост и други транспортни својства
3.4 Методи на испитување на кристали
Постојат голем број експериментални процедури дизајнирани за извлекување информации од целосни или кристали. Некои техники може да се користат во дијамантска наковална ќелија (DAC) или повеќенаковална преса (MAP). Некои техники се сумирани во следната табела.
Техника, Тип на наковална, Тип на примерок, Извлечени информации, Ограничувања
Дифракција на Х-зраци (XRD) , DAC или MAP, Прав или монокристал, параметри на ќелијата
Електронски микроскоп, Ниту едното, Прав или монокристал, Група за симетрија, Само мерења на површината
Неутронска дифракција, Ниту едното, Прав, параметри на ќелијата, Потребен е голем примерок
Инфрацрвена спектроскопија , DAC, Прав, монокристал или раствор, Хемиски состав, Не сите материјали се активни со инфрацрвено зрачење
Раманова спектроскопија , DAC, Прав, монокристал или раствор, Хемиски состав, Не сите материјали се Рамански активни
Брилуеново расејување , DAC, Еднокристален, Еластични модули, Потребен е оптички тенок примерок
Ултразвучна интерферометрија , DAC или MAP, Еднокристален, Еластични модули
3.5 Пресметки на први принципи
Користејќи квантно-механички нумерички техники, можно е да се постигнат многу точни предвидувања за својствата на кристалот, вклучувајќи ја структурата, термодинамичката стабилност, еластичните својства и транспортните својства. Границата на ваквите пресметки е обично компјутерската моќ, бидејќи времето на извршување на пресметките од недели или дури месеци не е невообичаено.
4 Историја
Областа на минералната физика не била именувана сè до 1960-тите, но нејзиното потекло датира барем од почетокот на 20 век и дознавањето дека надворешното јадро е флуидно, поради сеизмичката работа на Олдам и Гутенберг која покажала дека не дозволува ширење на стрижечките бранови.
Пресвртница во историјата на минералната физика било објавувањето на ''„Густина на Земјата“'' од Ерскин Вилијамсон, математички физичар, и Лисон Адамс, експерименталист. Работејќи во Геофизичката лабораторија во Карнеги институтот во Вашингтон, тие разгледале проблем што долго време ги збунувало научниците. Познато било дека просечната густина на Земјата е околу двојно поголема од онаа на кората, но не било познато дали ова се должи на компресија или на промени во составот во внатрешноста. Вилијамсон и Адамс претпоставиле дека подлабоките карпи се компресираат адијабатски (без ослободување на топлина) и ја извеле равенката Адамс-Вилијамсон, која го одредува профилот на густина од измерените густини и еластичните својства на карпите. Тие ги измериле некои од овие својства користејќи хидраулична преса од 500 тони што применуваше притисок до 1,2 гигапаскали (GPa). Тие заклучиле дека мантијата на Земјата има различен состав од кората, претпоставувајќи феромагнезиски силикати, а јадрото дека е некоја комбинација од железо и никел. Тие процениле дека притисокот и густината во центарот се 320 GPa и 10.700 кг/ <sup>м3</sup>, не е далеку од моменталните проценки од 360 GPa и 13.000 кг/ <sup>м3</sup> .
Експерименталната работа во Геофизичката лабораторија имала корист од пионерската работа на Перси Бриџман на Универзитетот Харвард, кој развил методи за истражување на висок притисок што довеле до Нобелова награда за физика. Неговиот студент, Франсис Берч, ја водел програма за примена на методи на висок притисок во геофизиката. Берч ја проширил равенката Адамс-Вилијамсон за да ги вклучи ефектите на температурата. Во 1952 година, тој објавил класичниот труд, ''Еластичност и конституција на внатрешноста на Земјата'', во кој утврдил некои основни факти односно, дека мантијата била претежно составена од силикати; постои фазен премин помеѓу горниот и долниот мантија поврзан со фазен премин; а внатрешното и надворешното јадро се легури на железо.