فيزياء المعادن

فيزياء المعادن (إنگليزية: Mineral physicscode: en is deprecated )، هو علم المواد التي تؤلف باطن الكواكب، وخاصة الأرض. يتداخل مع علم الصخور، الذي يركز على خصائص الصخور الكاملة. يوفر معلومات تسمح بتفسير القياسات السطحية للموجات الزلزالية، شذوذ الجاذبية، المجالات الجيومغناطيسية والكهرومغناطيسية من حيث الخصائص في عمق باطن الأرض. يمكن استخدام هذه المعلومات لتقديم نظرة ثاقبة حول حركة الصفائح التكتونية والحمل الحراري للوشاح والجيودينامو والظواهر ذات الصلة.

يتطلب العمل المعملي في الفيزياء المعدنية قياسات ضغط عالي. الأداة الأكثر شيوعًا هي خلية سندان الماس، والتي تستخدم الماس لوضع عينة صغيرة تحت ضغط يمكنه الاقتراب من الظروف في باطن الأرض.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

تخليق الضغط العالي

ضغط الصدمة

تضمنت العديد من الدراسات الرائدة في فيزياء المعادن انفجارات أو مقذوفات تظهرة عينة لصدمة. لفترة زمنية وجيزة ، تتعرض العينة للضغط أثناء مرور موجة صادمة. تم تحقيق ضغوط عالية مثل أي ضغوط في الأرض بهذه الطريقة. ومع ذلك، فإن الطريقة لها بعض العيوب. الضغط غير منتظم للغاية وليس ثابت الحرارة، لذا فإن موجة الضغط تسخن العينة أثناء المرور. يجب تفسير شروط التجربة من حيث مجموعة من منحنيات الضغط والكثافة تسمى منحنيات هوگونيو.^[1]

الضغط متعدد السندان

تتضمن الضغوط متعددة السندان ترتيبًا للسندان لتركيز الضغط على العينة. عادةً ما يستخدم الجهاز ترتيبًا مكونًا من ثمانية سندانات من كربيد التنجستن على شكل مكعب لضغط ثماني السطوح الخزفي الذي يحتوي على العينة وفرن خزفي أو فرن معدني. يوضع السندان عادة في مكبس هيدروليكي كبير. تم تطوير هذه الطريقة بواسطة كاواي و إندو في اليابان.^[2] على عكس ضغط الصدمة، فإن الضغط الذي يطبق هو ثابت، ويمكن تسخين العينة باستخدام فرن. ضغوط تبلغ حوالي 28 جيجا باسكال (أي ما يعادل عمق 840 كم)،^[3] ودرجات حرارة أعلى من 2300 مئوية^[4] يمكن الحصول عليها باستخدام سندان WC وفرن اللانثانم من الكروميت. الجهاز ضخم للغاية ولا يمكنه تحقيق ضغوط مثل تلك الموجودة في خلية سندان الماس (أدناه)، لكن يمكنه التعامل مع عينات أكبر بكثير يمكن إخمادها وفحصها بعد التجربة.^[5] في الآونة الأخيرة ، تم تطوير سندان من الماس الملبد لهذا النوع من المكابس التي يمكن أن تصل إلى ضغوط تصل إلى 90 جيجا باسكال (عمق 2700 كم).^[6]

خلية سندان الماس

مخططات جوهر خلية سندان الماس. حجم الماس بضعة ملليمترات على الأكثر.

خلية سندان الماس عبارة عن جهاز سطح طاولة صغير لتركيز الضغط. يمكنه ضغط قطعة صغيرة (بحجم أقل من المليمتر) من المادة إلى الضغط الشديد، والتي يمكن أن تتجاوز 3.000.000 وحدة جوية (300 جيجا باسكال).^[7] يتجاوز هذا الضغوط في مركز الأرض. قد يكون تركيز الضغط على طرف الماس بسبب الصلابة، في حين أن الشفافية وارتفاع التوصيل الحراري يسمحان بمجموعة متنوعة من المسابير التي تستخدم لفحص حالة العينة. يمكن تسخين العينة إلى آلاف الدرجات.

تخليق درجات الحرارة العالية

إن تحقيق درجات الحرارة الموجودة داخل باطن الأرض لا يقل أهمية عن دراسة الفيزياء المعدنية مثل خلق ضغوط عالية. تستخدم عدة طرق للوصول إلى درجات الحرارة هذه وقياسها. التسخين المقاوم هو الأكثر شيوعًا وأبسط قياس. يؤدي تطبيق الجهد على السلك إلى تسخين السلك والمنطقة المحيطة به. تتوفر مجموعة كبيرة ومتنوعة من تصميمات السخانات بما في ذلك تلك التي تسخن جسم خلية سندان الماس (DAC) بالكامل وتلك التي تتلاءم مع الجسم لتسخين حجرة العينة. يمكن الوصول إلى درجات حرارة أقل من 700 درجة مئوية في الهواء بسبب الأكسدة للماس فوق درجة الحرارة هذه. مع هواء مشبع بغاز الأرگون، يمكن الوصول إلى درجات حرارة أعلى تصل إلى 1700 درجة مئوية دون الإضرار بالماس. تم الإبلاغ عن سخان مقاوم للتنجستن مع الأرگون في BX90 DAC لتحقيق درجات حرارة تبلغ 1400 درجة مئوية.^[8]

يتم تسخين الليزر في خلية سندان الماس باستخدام Nd:YAG أو ليزر ثاني أكسيد الكربون للوصول إلى درجات حرارة أعلى من 6000 كلفن. يستخدم التحليل الطيفي لقياس الإشعاع الحراري من العينة لتحديد درجة الحرارة. يستمر تسخين الليزر في توسيع نطاق درجة الحرارة التي يمكن الوصول إليها في خلية سندان الماس، لكنها تعاني من عيبين مهمين. أولاً، يصعب قياس درجات الحرارة التي تقل عن 1200 درجة مئوية باستخدام هذه الطريقة. ثانيًا، توجد تدرجات كبيرة في درجة الحرارة في العينة لأنه يتم تسخين جزء العينة التي ضربها الليزر فقط.^{[بحاجة لمصدر]}

خصائص المواد

معادلات الحالة

لاستنتاج خصائص المعادن في أعماق الأرض، من الضروري معرفة كيف تختلف كثافتها باختلاف الضغط ودرجة الحرارة. تسمى هذه العلاقة معادلة الحالة (EOS). مثال بسيط على EOS الذي تنبأ به نموذج ديباي للاهتزازات الشبكية التوافقية هو معادلة مي-گرونهايزن للحالة:

\left({\frac {dP}{dT}}\right)={\frac {\gamma _{D}}{V}}C_{V},

where $C_{V}$ هي السعة الحرارية و $\gamma _{D}$ هي ديباي گاما. الأخير هو إحدى متغيرات گرونهايزن المتعددة التي تلعب دوراً هاماً في فيزياء الضغط العالي. معادلة الحالة أكثر واقعية هي معادلة حالة بريتش-مورناگان.^[9]^:66–73

تفسير التسارعات الزلزالية

يعطي عكس البيانات الزلزالية ملامح السرعة الزلزالية كدالة للعمق. لا يزال من الضروري تفسير هذه من حيث خصائص المعادن. اكتشف فرانسيس بيرش طريقة مفيدة للغاية تتمثل في رسم بيانات لعدد كبير من الصخور، حيث وجد علاقة خطية لتسارع الموجة الانضغاطية $v_{p}$ من الصخور والمعادن بمتوسط ثابت للوزن الذري ${\overline {M}}$ وكثافة $\rho$ :^[10]^[11]

v_{p}=a{\overline {M}}+b\rho

.

أصبحت هذه العلاقة تُعرف باسم قانون بيرش. يجعل هذا من الممكن استقراء السرعات المعروفة للمعادن الموجودة على السطح للتنبؤ بسرعات أعمق في الأرض.

خصائص فيزيائية أخرى

طرق الاستنطاق البلوري

هناك عدد من الإجراءات التجريبية المصممة لاستخراج المعلومات من كل من البلورات المفردة والبلورات المسحوقة. يمكن استخدام بعض التقنيات في خلية سندان ماسية (DAC) أو مكبس متعدد السندان (MAP). يتم تلخيص بعض التقنيات في الجدول التالي.

التقنية	نوع السندان	نوع العينة	المعلومات المستخرجة	القيود
حيود الأشعة السينية(XRD)^[12]	DAC أو MAP	بلورة مسحوقة أو مفردة	متغيرات الخلية
المجهرية الإلكترونية	لا	بلورة مسحوقة أو مفردة	مجموعة متناظرة	قياسات سطحية فقط
حيود النيوترون	لا	مسحوق	متغيرات الخلية	مطلوب عينة كبيرة
مطيافية الأشعة تحت الحمراء^[13]	DAC	بلورة مسحوقة أو مفردة أو محلول	التركيب الكيميائية	ليست كل المواد نشطة بالأشعة تحت الحمراء
مجهرية رامان^[13]	DAC	بلورة مسحوقة أو مفردة أو محلول	التركيب الكيميائي	ليست كل المواد نشطة بالأشعة تحت الحمراء
تشتت بريل‌وين^[14]	DAC	بلورة مفردة	معامل المرونة	مطلوب عينة رقيقة بصرياً
قياس التداخل بالموجات فوق الصوتية^[15]	DAC أو MAP	بلورة مفردة	معامل المرونة

حسابات المبادئ الأولى

باستخدام التقنيات العددية الميكانيكية الكمومية ، من الممكن تحقيق تنبؤات دقيقة للغاية للخصائص البلورية بما في ذلك البنية والاستقرار الديناميكي الحراري والخصائص المرنة وخصائص النقل. يميل حد مثل هذه الحسابات إلى أن يكون قوة الحوسبة، لأن أوقات تشغيل الحساب لأسابيع أو حتى شهور ليست غير شائعة.^[9]^:107–109

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

التاريخ

لم يتم تسمية مجال فيزياء المعادن حتى الستينيات، لكن أصوله تعود إلى أوائل القرن العشرين على الأقل والاعتراف بأن اللب الخارجي مائع لأن العمل الزلزالي من قبل أولدهام وگوتنبرگ أظهر أنه لا يسمح للموجات إس بالانتشار.^[16]

كان أحد المعالم البارزة في تاريخ فيزياء المعادن هو نشر كتاب "كثافة الأرض" بواسطة إرسكين ويليامسون، عالم الفيزياء الرياضية، والباحث التجريبي ليسون آدامز. من خلال العمل في المختبر الجيوفيزيائي في معهد كارنيجى بواشنطن، اعتبروا مشكلة حيرت العلماء لفترة طويلة. كان من المعروف أن متوسط كثافة الأرض كان حوالي ضعف متوسط القشرة، لكن لم يكن معروفًا ما إذا كان هذا بسبب الضغط أو التغيرات في التكوين الداخلي. افترض ويليامسون وآدامز أن الصخور العميقة يتم ضغطها لا تبادلياً (بدون إطلاق حرارة) واشتقا معادلة آدمز-ويليامسون، التي تحدد المظهر الجانبي للكثافة من الكثافات المقاسة والخصائص المرنة للصخور. قاموا بقياس بعض هذه الخصائص باستخدام مكبس هيدروليكي بوزن 500 طن يطبق ضغوطًا تصل إلى 1.2 جيجا باسكال. وخلصوا إلى أن غلاف الأرض له تركيبة مختلفة عن القشرة، وربما تكون سيليكات الحديد والمغنيسيوم، وأن اللب كان عبارة عن مزيج من الحديد والنيكل. قدروا الضغط والكثافة في المركز بـ 320 جيجا باسكال و 10.700 كج/م³، ليس بعيدًا عن التقديرات الحالية البالغة 360 جيجا و13.000 كج/م³.^[17]

استفاد العمل التجريبي في المختبر الجيوفيزيائي من عمل پرسي بريدجمان الرائد في جامعة هارڤرد، الذي طور طرقًا لأبحاث الضغط العالي التي أدت إلى فوزه بجائزة نوبل في الفيزياء.^[17] أحد تلاميذه، فرانسيس بيرش، قاد برنامجاً لتطبيق طرق الضغط العالي على الجيوفيزياء. ^[18] قام بيرش بتوسيع معادلة آدمز ويليامسون لتشمل تأثيرات درجة الحرارة.^[17] عام 1952، نشر بحثًا كلاسيكيًا بعنوان "مرونة وتشكيل باطن الأرض"، حيث أسس بعض الحقائق الأساسية: يتكون الوشاح في الغالب من السيليكات؛ هناك انتقال طوري بين الوشاح العلوي والسفلي المرتبط بالانتقال الطوري؛ واللب الداخلي والخارجي كلاهما من سبائك الحديد.^[19]

المصادر

^ Ahrens, T. J. (1980). "Dynamic compression of Earth materials". Science. 207 (4435): 1035–1041. Bibcode:1980Sci...207.1035A. doi:10.1126/science.207.4435.1035. PMID 17759812. S2CID 21791428.
^ Kawai, Naoto (1970). "The generation of ultrahigh hydrostatic pressures by a split sphere apparatus". Review of Scientific Instruments. 41 (8): 1178–1181. Bibcode:1970RScI...41.1178K. doi:10.1063/1.1684753.
^ Kubo, Atsushi; Akaogi, Masaki (2000). "Post-garnet transitions in the system Mg₄Si₄O₁₂–Mg₃Al₂Si₃O₁₂ up to 28 GPa: phase relations of garnet, ilmenite and perovskite". Physics of the Earth and Planetary Interiors. 121 (1–2): 85–102. Bibcode:2000PEPI..121...85K. doi:10.1016/S0031-9201(00)00162-X.
^ Zhang, Jianzhong; Liebermann, Robert C.; Gasparik, Tibor; Herzberg, Claude T.; Fei, Yingwei (1993). "Melting and subsolidus relations of silica at 9 to 14 GPa". Journal of Geophysical Research. 98 (B11): 19785–19793. Bibcode:1993JGR....9819785Z. doi:10.1029/93JB02218.
^ "Studying the Earth's formation: The multi-anvil press at work". Lawrence Livermore National Laboratory. Archived from the original on 28 May 2010. Retrieved 29 September 2010.
^ Zhai, Shuangmeng; Ito, Eiji (2011). "Recent advances of high-pressure generation in a multianvil apparatus using sintered diamond anvils". Geoscience Frontiers. 2 (1): 101–106. Bibcode:2011GeoFr...2..101Z. doi:10.1016/j.gsf.2010.09.005.
^ Hemley, Russell J.; Ashcroft, Neil W. (1998). "The Revealing Role of Pressure in the Condensed Matter Sciences". Physics Today. 51 (8): 26. Bibcode:1998PhT....51h..26H. doi:10.1063/1.882374.
^ Yan, J., Doran, A., MacDowell, A.A. and Kalkan, B., 2021. A tungsten external heater for BX90 diamond anvil cells with a range up to 1700 K. Review of Scientific Instruments, 92(1), p.013903.
^ ^أ ^ب Poirier 2000
^ Birch, F. (1961). "The velocity of compressional waves in rocks to 10 kilobars. Part 2". Journal of Geophysical Research. 66 (7): 2199–2224. Bibcode:1961JGR....66.2199B. doi:10.1029/JZ066i007p02199.
^ Birch, F. (1961). "Composition of the Earth's mantle". Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society. 4: 295–311. Bibcode:1961GeoJ....4..295B. doi:10.1111/j.1365-246X.1961.tb06821.x.
^ Burnley, Pamela. "Synchrotron X-Ray Diffraction". Science Education Resource Center. Carleton College. Retrieved 18 September 2015.
^ ^أ ^ب Thomas, Sylvia-Monique. "Infrared and Raman Spectroscopy". Science Education Resource Center. Carleton College. Retrieved 18 September 2015.
^ Thomas, Sylvia-Monique. "Brillouin Spectroscopy". Science Education Resource Center. Carleton College. Retrieved 18 September 2015.
^ Burnley, Pamela. "Ultrasonic Measurements". Science Education Resource Center. Carleton College. Retrieved 18 September 2015.
^ Price, G. David (October 2007). "2.01 Overview – Mineral physics: past, present, and future" (PDF). In Price, G. David (ed.). Mineral Physics. Elsevier. pp. 1–6. ISBN 9780444535764. Retrieved 27 September 2017.
^ ^أ ^ب ^ت Hemley, Russell J. (April 2006). "Erskine Williamson, extreme conditions, and the birth of mineral physics". Physics Today. 59 (4): 50–56. Bibcode:2006PhT....59d..50H. doi:10.1063/1.2207038.
^ Prewitt, Charles T. (2003). "Mineral Physics: Looking ahead". Journal of Mineralogical and Petrological Sciences. 98 (1): 1–8. Bibcode:2003JMPeS..98....1P. doi:10.2465/jmps.98.1.
^ Liebermann, Robert Cooper; Prewitt, Charles T. (March 2014). "From Airlie House in 1977 to Granlibakken in 2012: 35Years of evolution of mineral physics". Physics of the Earth and Planetary Interiors. 228: 36–45. Bibcode:2014PEPI..228...36L. doi:10.1016/j.pepi.2013.06.002.

قراءات إضافية

Kieffer, S. W.; Navrotsky, A. (1985). Microscopic to macroscopic : atomic environments to mineral thermodynamics. Washington, D.C.: Mineralogical Society of America. ISBN 978-0-939950-18-8.
Poirier, Jean-Paul (2000). Introduction to the Physics of the Earth's Interior. Cambridge Topics in Mineral Physics & Chemistry. Cambridge University Press. ISBN 0-521-66313-X.

وصلات خارجية

"Teaching Mineral Physics Across the Curriculum". On the cutting edge - professional development for geoscience faculty. Retrieved 21 May 2012.

[1] Ahrens, T. J. (1980). "Dynamic compression of Earth materials". Science. 207 (4435): 1035–1041. Bibcode:1980Sci...207.1035A. doi:10.1126/science.207.4435.1035. PMID 17759812. S2CID 21791428.

[2] Kawai, Naoto (1970). "The generation of ultrahigh hydrostatic pressures by a split sphere apparatus". Review of Scientific Instruments. 41 (8): 1178–1181. Bibcode:1970RScI...41.1178K. doi:10.1063/1.1684753.

[3] Kubo, Atsushi; Akaogi, Masaki (2000). "Post-garnet transitions in the system Mg₄Si₄O₁₂–Mg₃Al₂Si₃O₁₂ up to 28 GPa: phase relations of garnet, ilmenite and perovskite". Physics of the Earth and Planetary Interiors. 121 (1–2): 85–102. Bibcode:2000PEPI..121...85K. doi:10.1016/S0031-9201(00)00162-X.

[4] Zhang, Jianzhong; Liebermann, Robert C.; Gasparik, Tibor; Herzberg, Claude T.; Fei, Yingwei (1993). "Melting and subsolidus relations of silica at 9 to 14 GPa". Journal of Geophysical Research. 98 (B11): 19785–19793. Bibcode:1993JGR....9819785Z. doi:10.1029/93JB02218.

[5] "Studying the Earth's formation: The multi-anvil press at work". Lawrence Livermore National Laboratory. Archived from the original on 28 May 2010. Retrieved 29 September 2010.

[6] Zhai, Shuangmeng; Ito, Eiji (2011). "Recent advances of high-pressure generation in a multianvil apparatus using sintered diamond anvils". Geoscience Frontiers. 2 (1): 101–106. Bibcode:2011GeoFr...2..101Z. doi:10.1016/j.gsf.2010.09.005.

[Hemley1998-7] Hemley, Russell J.; Ashcroft, Neil W. (1998). "The Revealing Role of Pressure in the Condensed Matter Sciences". Physics Today. 51 (8): 26. Bibcode:1998PhT....51h..26H. doi:10.1063/1.882374.

[8] Yan, J., Doran, A., MacDowell, A.A. and Kalkan, B., 2021. A tungsten external heater for BX90 diamond anvil cells with a range up to 1700 K. Review of Scientific Instruments, 92(1), p.013903.

[Poirier-9] أ ^ب Poirier 2000

[JGR61-10] Birch, F. (1961). "The velocity of compressional waves in rocks to 10 kilobars. Part 2". Journal of Geophysical Research. 66 (7): 2199–2224. Bibcode:1961JGR....66.2199B. doi:10.1029/JZ066i007p02199.

[GJRAS61-11] Birch, F. (1961). "Composition of the Earth's mantle". Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society. 4: 295–311. Bibcode:1961GeoJ....4..295B. doi:10.1111/j.1365-246X.1961.tb06821.x.

[12] Burnley, Pamela. "Synchrotron X-Ray Diffraction". Science Education Resource Center. Carleton College. Retrieved 18 September 2015.

[Thomas-13] أ ^ب Thomas, Sylvia-Monique. "Infrared and Raman Spectroscopy". Science Education Resource Center. Carleton College. Retrieved 18 September 2015.

[14] Thomas, Sylvia-Monique. "Brillouin Spectroscopy". Science Education Resource Center. Carleton College. Retrieved 18 September 2015.

[15] Burnley, Pamela. "Ultrasonic Measurements". Science Education Resource Center. Carleton College. Retrieved 18 September 2015.

[Price-16] Price, G. David (October 2007). "2.01 Overview – Mineral physics: past, present, and future" (PDF). In Price, G. David (ed.). Mineral Physics. Elsevier. pp. 1–6. ISBN 9780444535764. Retrieved 27 September 2017.

[Hemley-17] أ ^ب ^ت Hemley, Russell J. (April 2006). "Erskine Williamson, extreme conditions, and the birth of mineral physics". Physics Today. 59 (4): 50–56. Bibcode:2006PhT....59d..50H. doi:10.1063/1.2207038.

[Prewitt-18] Prewitt, Charles T. (2003). "Mineral Physics: Looking ahead". Journal of Mineralogical and Petrological Sciences. 98 (1): 1–8. Bibcode:2003JMPeS..98....1P. doi:10.2465/jmps.98.1.

[Liebermann-19] Liebermann, Robert Cooper; Prewitt, Charles T. (March 2014). "From Airlie House in 1977 to Granlibakken in 2012: 35Years of evolution of mineral physics". Physics of the Earth and Planetary Interiors. 228: 36–45. Bibcode:2014PEPI..228...36L. doi:10.1016/j.pepi.2013.06.002.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]