Физико-химические превращения в смеси кварца с алюминием под действием сферически сходящихся ударных волн и внутреннее строение земной мантии
С целью моделирования внутреннего строения Земли проведен эксперимент по ударному обжатию шара из смеси алюминия с кварцем в соотношении 1:1 сферически сходящимися ударными волнами с начальным давлением на поверхности 48 GPa. На основе расчетных профилей давления P(R, r) для выделенных лагранжевых ч...
Saved in:
| Published in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2008
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70471 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Физико-химические превращения в смеси кварца с алюминием под действием сферически сходящихся ударных волн и внутреннее строение земной мантии / А.В. Добромыслов, Н.И. Талуц, Е.А. Козлов // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 4. — С. 155-161. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860102386388828160 |
|---|---|
| author | Добромыслов, А.В. Талуц, Н.И. Козлов, Е.А. |
| author_facet | Добромыслов, А.В. Талуц, Н.И. Козлов, Е.А. |
| citation_txt | Физико-химические превращения в смеси кварца с алюминием под действием сферически сходящихся ударных волн и внутреннее строение земной мантии / А.В. Добромыслов, Н.И. Талуц, Е.А. Козлов // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 4. — С. 155-161. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | С целью моделирования внутреннего строения Земли проведен эксперимент по ударному обжатию шара из смеси алюминия с кварцем в соотношении 1:1 сферически сходящимися ударными волнами с начальным давлением на поверхности 48 GPa. На основе расчетных профилей давления P(R, r) для выделенных лагранжевых частиц R сделаны оценки реализованных давлений в зависимости от положения слоя в образце. Обнаружено, что в результате протекания физико-химических реакций в шаре происходит образование нескольких кольцевых зон с разным фазовым составом. Полученные данные о фазовом составе продуктов превращения в различных слоях компакта сопоставлены со структурой слоев земной мантии. Установлено, что давление начала аморфизации кварца 22–24 GPa соответствует давлению перехода от верхней к нижней мантии Земли.
Mixture of aluminum and quartz powders taken in a ratio of 1:1 was loaded by spherical converging shock waves with the purpose of modelling the internal structure of the Earth. The pressures in the converging shock wave and in the diverging shock wave reflected from the center of the sample have been estimated as a function of the radial position of Lagrangian particles on the basis of the calculated pressure profiles P(R, t). A number of concentric layers (zones) have been observed in a meridian section of the sample after shock-wave loading. The data on the phase composition of different zones are considered in view of pressures induced by the converging and diverging shock waves at their boundaries. It is established that amorphisation pressure corresponds to pressure of transition from the upper to the lower mantle of the Earth.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:29:23Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
155
PACS: 82.40.Fp, 91.35.Ed
А.В. Добромыслов1, Н.И. Талуц1, Е.А. Козлов2
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СМЕСИ КВАРЦА
С АЛЮМИНИЕМ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СФЕРИЧЕСКИ СХОДЯЩИХСЯ
УДАРНЫХ ВОЛН И ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМНОЙ МАНТИИ
1Институт физики металлов УрО РАН
ул. С. Ковалевской, 18, г. Екатеринбург, 620041, Россия
E-mail: Dobromyslov@imp.uran.ru
2РФЯЦ-ВНИИТФ
г. Снежинск, Россия
С целью моделирования внутреннего строения Земли проведен эксперимент по
ударному обжатию шара из смеси алюминия с кварцем в соотношении 1:1 сфери-
чески сходящимися ударными волнами с начальным давлением на поверхности
48 GPa. На основе расчетных профилей давления P(R, r) для выделенных лагранже-
вых частиц R сделаны оценки реализованных давлений в зависимости от положе-
ния слоя в образце. Обнаружено, что в результате протекания физико-химических
реакций в шаре происходит образование нескольких кольцевых зон с разным фазо-
вым составом. Полученные данные о фазовом составе продуктов превращения в
различных слоях компакта сопоставлены со структурой слоев земной мантии.
Установлено, что давление начала аморфизации кварца 22–24 GPa соответству-
ет давлению перехода от верхней к нижней мантии Земли.
В настоящее время большое значение для понимания различных вопросов
минералогии, ударного метаморфизма и строения Земли приобретает прове-
дение модельных взрывных экспериментов. Среди известных схем ударного
воздействия наиболее предпочтительным является способ нагружения с по-
мощью сферически сходящихся ударных волн [1–3]. Такой способ можно
использовать в целях моделирования внутреннего строения Земли, посколь-
ку при распространении ударных волн внутри сферических образцов реали-
зуются условия, при которых находится вещество в различных слоях мантии
и ядра. Аналогично тому, как с увеличением глубины внутри Земли растут
давление и температура, при распространении в образце сферически сходя-
щейся ударной волны на ее фронте также непрерывно растут амплитуда и
температура, достигая в центральных слоях образца давлений мегабарного
диапазона и температур в несколько тысяч градусов. Задачей данного иссле-
дования было изучение фазового и структурного состояний компакта из
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
156
смеси порошков кварца и алюминия после нагружения сферически сходя-
щимися ударными волнами и сопоставление фазового состава продуктов
превращений с положением различных слоев земной мантии.
Методика эксперимента
В качестве объекта исследования использована смесь порошков кварца и
алюминия в соотношении 1:1. Плотность компакта ρ0 = 2.67 g/сm3. Из полу-
ченной цилиндрической заготовки изготавливали шар диаметром 48.85 mm,
который заваривали в специальную оболочку из нержавеющей стали
12Х18Н10Т. Нагружение осуществляли сходящейся детонационной волной
сферического слоя взрывчатого вещества толщиной 8 mm. Давление на
внешней поверхности оболочки составляло 48 GPa, а длительность импуль-
са нагрузки – 3 μs. Сохраненный образец разрезали по меридиональной
плоскости алмазным кругом. Послойный анализ структуры и фазового со-
става образца осуществляли с использованием рентгеноструктурного анали-
за, оптической и сканирующей электронной микроскопии.
Результаты и их обсуждение
В центре первоначально сплошного компакта после нагружения образо-
валась полость, внутри которой был обнаружен металлический шарик. На
меридиональном сечении образца вокруг полости наблюдается присутствие
пяти концентрических зон, отличающихся друг от друга контрастом (рис. 1).
Зона 3 состоит из трех тонких слоев, по-разному отражающих свет.
Присутствие в образце нескольких различных зон характеризует особен-
ности протекания процессов в смеси порошков кварца и алюминия в раз-
личных диапазонах давлений. На ос-
нове расчетных профилей давления
для выделенных (фиксированных) ла-
гранжевых частиц были сделаны
оценки изменения давления в иссле-
дуемом образце в зависимости от по-
ложения по радиусу на сходящейся и
отраженной от центра расходящейся
ударных волнах (рис. 2).
Ниже приводятся данные о фазо-
вом составе различных зон.
Наиболее протяженная зона 1. В
этой зоне рентгенографически обна-
руживается присутствие только ис-
ходных компонентов (рис. 3,а,б).
Микроструктура зоны 1 состоит из
частиц α-кварца неправильной фор-
мы, окруженных областями алюминия.
Рис. 1. Меридиональное сечение шара
из смеси кварца и алюминия после
нагружения сферически сходящейся
ударной волной; цифрами обозначены
визуально наблюдаемые зоны
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
157
Рис. 2. Параметры нагружения лагранжевых частиц смеси кварца с алюминием в визу-
ально наблюдаемых зонах 1−6: а − сходящаяся ударная волна; б − расходящаяся; в −
геометрическое место состояний перед отраженной (расходящейся) ударной волной
При переходе к зоне 2 заметного изменения микроструктуры не наблюдается.
Однако вид рентгенограмм меняется: от линий α-кварца остается только сла-
бая размытая линия (101), на которой присутствуют текстурные максимумы,
и очень слабая, сильно размытая линия (112) (рис. 3,в). Значительное умень-
шение интенсивности линий α-кварца при сохранении его общего количества
в структуре свидетельствует об аморфизации α-кварца. Кроме того, на рент-
генограмме появляется одна дополнительная линия, соответствующая самой
сильной линии оксида кремния SiO2.
На рентгенограммах, полученных от зоны 3, все линии α-кварца полностью
исчезают, и появляются линии, принадлежащие кремнию (рис. 3,г). Кроме того,
присутствуют слабые фрагменты линий α-Al2O3, интенсивность которых не-
сколько возрастает в подзоне 3. В подзонах 1 и 2 также наблюдается образова-
ние различных промежуточных соединений, которые исчезают в подзоне 3.
На рентгенограммах, полученных от различных слоев зоны 4, наблюда-
ются в основном линии α-Al2O3, кремния и алюминия, интенсивность и вид
которых меняются с увеличением глубины залегания слоя (рис. 3,д). Анализ
изменения дифракционной картины свидетельствует о том, что только в
этой зоне происходит интенсивное образование α-Al2O3. Кроме того, на
рентгенограммах наблюдается присутствие разных дополнительных линий,
количество и расположение которых зависит от глубины залегания слоя в зоне.
Часть этих линий не удалось отнести к каким-либо определенным фазам.
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
158
1 1 1
22 2 22 2 2 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22
1 1 1 1 1 1
2 2
3
а б в
1 1 1
4 4
5
4
5 5 5
1 1 1
4 4 4
5 5 5 5 5 5 555
8
1 1
4 4 4
5 5 5 5 5 5 555
г д е
Рис. 3. Рентгенограммы, полученные от слоев, расположенных на разных радиусах
R, mm: a – 21.4, б – 12.1, в – 11.1, г – 9.2, д – 8.6, е – 4.1. Цифрами обозначены ли-
нии фаз: 1 – Al; 2 – α-кварц; 3 – SiO2, гексагональный; 4 – Si; 5 – α-Al2O3; 8 –
нерасшифрованная фаза x1 с d = 0.194 nm
При переходе к зоне 4 кристаллы кварца полностью исчезают, и на-
блюдаются большие области с пятнистым контрастом. Можно предполо-
жить, что эти области состоят из α-Al2O3 и каких-то промежуточных
продуктов реакций между алюминием и кварцем. При увеличении глуби-
ны залегания слоя внутри них появляются темные области неправильной
формы, являющиеся областями α-Al2O3. При приближении к границе зо-
ны 5 размеры областей α-Al2O3 сильно увеличиваются. Кремний наблю-
дается в виде областей различной формы, в некоторых случаях – сфери-
ческой. Максимальный размер сферических выделений кремния может
достигать 200 μm.
Толщина зоны 5 составляет ∼ 0.9 mm. Внутренней границей зоны 5 явля-
ется поверхность полости. В основном в этой зоне наблюдаются протяжен-
ные области α-Al2O3 и небольшое количество выделений Si (рис. 3,е). На
внутренней поверхности полости видны следы плавления и многочисленные
кристаллы корунда правильной формы. Шарик, образовавшийся внутри по-
лости, является зоной 6. На дифрактограмме, полученной от данного шари-
ка, присутствуют только линии алюминия и кремния. Это указывает на то,
что шарик представляет собой сплав алюминия с кремнием.
В целом полученные результаты свидетельствуют о том, что в про-
цессе изменения давления и температуры на фронте ударной волны про-
исходят сложные изменения в структуре исходной смеси. Наиболее ха-
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
159
рактерной особенностью таких структурных превращений является то,
что они начинают протекать только после достижения определенного
критического давления. Первые изменения в кварце начинаются при
критическом давлении 22 GPa, при котором происходит аморфизация
кварца. После достижения ∼ 45 GPa начинается твердофазная реакция
разложения SiO2, приводящая к выделению чистого кремния. Критиче-
ское давление, необходимое для протекания твердофазной химической
реакции образования Al2O3, составляет ∼ 50 GPa, т.е. процессы образо-
вания кремния и α-Al2O3 разделены в масштабе давлений. Это указыва-
ет на то, что кислород в некотором диапазоне давлений и температур в
соответствующих слоях существовал в свободном и, возможно, в ато-
марном состояниях. В работе [4] ранее было высказано предположение,
что разложение оксидов с выделением кислорода могло иметь место при
формировании Земли и этот процесс определил появление свободного
кислорода в ее атмосфере. Поэтому обнаруженный нами факт существо-
вания свободного кислорода при давлениях и температурах ниже опре-
деленных значений свидетельствует в пользу такого предположения.
При сопоставлении имеющихся данных о внутреннем строении Земли и
наших результатов о фазовом составе продуктов, образовавшихся в со-
храненном после ударного воздействия компакте в разных диапазонах
давлений, обнаруживается, что переход от верхней мантии к внутренней
в шкале давлений совпадет с переходом кварца в аморфное состояние
(рис. 4). В средних слоях нижней мантии кремний и Al2O3 присутствуют
в твердом состоянии, а при приближении к внешнему ядру они перехо-
дят в жидкое состояние.
Рис. 4. Сравнение полученных данных о фазовом составе различных слоев компак-
та после ударного нагружения с положением слоев в земном шаре
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
160
Заключение
Проведен эксперимент по ударному обжатию шара из смеси кварца с алю-
минием в соотношении 1:1 сферически сходящимися ударными волнами с
начальным давлением на поверхности 48 GPa. На основе расчетных профилей
давления P(R, r) для выделенных (фиксированных) лагранжевых частиц R
сделаны расчетные оценки реализованных давлений в зависимости от удале-
ния от поверхности нагружения сферического образца. Обнаружено, что в ре-
зультате ударного воздействия в шаре образуются шесть кольцевых зон с раз-
ным фазовым составом. В приповерхностной зоне 1 происходят деформация
порошков алюминия и кварца и дополнительное компактирование исходной
смеси, а в зоне 2 – аморфизация кварца. Установлено, что протекание твердо-
фазных химических реакций начинается только после достижения определен-
ного критического давления. После достижения давления 45 GPa начинается
твердофазная реакция разложения SiO2, приводящая к выделению чистого
кремния. Начало выделения кремния и протекание химической реакции обра-
зования Al2O3 разделены в масштабе давлений. Появление в центральной час-
ти образца области, состоящей из корунда и металлического шарика из сплава
Al−52.8 at.% Si, является следствием расслоения расплава алюминия, кремния
и Al2O3 и их последующей раздельной кристаллизации.
Полученные данные о фазовом составе продуктов превращения в различ-
ных слоях компакта сопоставлены со структурой слоев земной мантии. Ус-
тановлено, что давление начала аморфизации кварца 22 GPa соответствует
давлению границы перехода от верхней мантии к нижней (рис. 4).
Работа выполнена при финансовой поддержке Российским фондом фун-
даментальных исследований (грант № 08-05-00165-а).
1. E.A. Kozlov, High Pressure Research 10, 541 (1992).
2. E.A. Kozlov, Yu.N. Zhugin, B.V. Litvinov et al., Khim. Fiz. 14, 108 (1995).
3. E.A. Kozlov, B.V. Litvinov, E.V. Abakshin et al., Fiz. Met. Metalloved. 79, 113 (1995)
[Phys. Met. Metallogr. 79, 662 (1995)].
4. В.В. Бражкин, Р.Н. Волошин, А.Г. Ляпин, С.В. Попова, УФН 173, 1359 (2003).
A.V. Dobromyslov, N.I. Taluts, E.A. Kozlov
PHYSICAL AND CHEMICAL TRANSFORMATIONS IN QUARTZ-
ALUMINIUM MIXTURE UNDER THE ACTION OF SPHERICAL
CONVERGING SHOCK WAVES AND THE INTERNAL STRUCTURE
OF EARTH MANTLE
Mixture of aluminum and quartz powders taken in a ratio of 1:1 was loaded by spherical
converging shock waves with the purpose of modelling the internal structure of the Earth.
The pressures in the converging shock wave and in the diverging shock wave reflected
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
161
from the center of the sample have been estimated as a function of the radial position of
Lagrangian particles on the basis of the calculated pressure profiles P(R, t). A number of
concentric layers (zones) have been observed in a meridian section of the sample after
shock-wave loading. The data on the phase composition of different zones are considered
in view of pressures induced by the converging and diverging shock waves at their
boundaries. It is established that amorphisation pressure corresponds to pressure of tran-
sition from the upper to the lower mantle of the Earth.
Fig. 1. Meridional section of the sphere consisting of quartz-aluminum mixture after
loading by a spherical converging shock wave, the numerals designate the visually ob-
served zones
Fig. 2. Loading parameters for the Lagrangian particles of the quartz-aluminum mixture
in visually observed zones 1–6: a – converging shock wave; б – diverging shock wave; в –
locus of the states in front of the reflected (diverging) shock wave
Fig. 3. X-ray diffraction patterns obtained from the layers located at different depths
along the radii R, mm: a – 21.4, б – 12.1, в – 11.1, г – 9.2, д – 8.6, е – 4.1. The numerals
designate the lines of the phases: 1 – Al; 2 – α-quartz; 3 – hexagonal SiO2; 4 – Si; 5 –
α-Al2O3; 8 – unidentified phase x1 with d = 0.194 nm
Fig. 4. Comparison of the data on phase structure of various layers of the sample after
shock wave loading with position of layers in the Globe
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70471 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:29:23Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Добромыслов, А.В. Талуц, Н.И. Козлов, Е.А. 2014-11-06T18:42:24Z 2014-11-06T18:42:24Z 2008 Физико-химические превращения в смеси кварца с алюминием под действием сферически сходящихся ударных волн и внутреннее строение земной мантии / А.В. Добромыслов, Н.И. Талуц, Е.А. Козлов // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 4. — С. 155-161. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 82.40.Fp, 91.35.Ed https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70471 С целью моделирования внутреннего строения Земли проведен эксперимент по ударному обжатию шара из смеси алюминия с кварцем в соотношении 1:1 сферически сходящимися ударными волнами с начальным давлением на поверхности 48 GPa. На основе расчетных профилей давления P(R, r) для выделенных лагранжевых частиц R сделаны оценки реализованных давлений в зависимости от положения слоя в образце. Обнаружено, что в результате протекания физико-химических реакций в шаре происходит образование нескольких кольцевых зон с разным фазовым составом. Полученные данные о фазовом составе продуктов превращения в различных слоях компакта сопоставлены со структурой слоев земной мантии. Установлено, что давление начала аморфизации кварца 22–24 GPa соответствует давлению перехода от верхней к нижней мантии Земли. Mixture of aluminum and quartz powders taken in a ratio of 1:1 was loaded by spherical converging shock waves with the purpose of modelling the internal structure of the Earth. The pressures in the converging shock wave and in the diverging shock wave reflected from the center of the sample have been estimated as a function of the radial position of Lagrangian particles on the basis of the calculated pressure profiles P(R, t). A number of concentric layers (zones) have been observed in a meridian section of the sample after shock-wave loading. The data on the phase composition of different zones are considered in view of pressures induced by the converging and diverging shock waves at their boundaries. It is established that amorphisation pressure corresponds to pressure of transition from the upper to the lower mantle of the Earth. Работа выполнена при финансовой поддержке Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 08-05-00165-а). ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Физико-химические превращения в смеси кварца с алюминием под действием сферически сходящихся ударных волн и внутреннее строение земной мантии Фізико-хімічні перетворення у суміші кварцу з алюмінієм під дією сферично збіжних ударних хвиль і внутрішня будова земної мантії Physical and chemical transformations in quartz-aluminium mixture under the action of spherical converging shock waves and the internal structure of Earth mantle Article published earlier |
| spellingShingle | Физико-химические превращения в смеси кварца с алюминием под действием сферически сходящихся ударных волн и внутреннее строение земной мантии Добромыслов, А.В. Талуц, Н.И. Козлов, Е.А. |
| title | Физико-химические превращения в смеси кварца с алюминием под действием сферически сходящихся ударных волн и внутреннее строение земной мантии |
| title_alt | Фізико-хімічні перетворення у суміші кварцу з алюмінієм під дією сферично збіжних ударних хвиль і внутрішня будова земної мантії Physical and chemical transformations in quartz-aluminium mixture under the action of spherical converging shock waves and the internal structure of Earth mantle |
| title_full | Физико-химические превращения в смеси кварца с алюминием под действием сферически сходящихся ударных волн и внутреннее строение земной мантии |
| title_fullStr | Физико-химические превращения в смеси кварца с алюминием под действием сферически сходящихся ударных волн и внутреннее строение земной мантии |
| title_full_unstemmed | Физико-химические превращения в смеси кварца с алюминием под действием сферически сходящихся ударных волн и внутреннее строение земной мантии |
| title_short | Физико-химические превращения в смеси кварца с алюминием под действием сферически сходящихся ударных волн и внутреннее строение земной мантии |
| title_sort | физико-химические превращения в смеси кварца с алюминием под действием сферически сходящихся ударных волн и внутреннее строение земной мантии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70471 |
| work_keys_str_mv | AT dobromyslovav fizikohimičeskieprevraŝeniâvsmesikvarcasalûminiempoddeistviemsferičeskishodâŝihsâudarnyhvolnivnutrenneestroeniezemnoimantii AT talucni fizikohimičeskieprevraŝeniâvsmesikvarcasalûminiempoddeistviemsferičeskishodâŝihsâudarnyhvolnivnutrenneestroeniezemnoimantii AT kozlovea fizikohimičeskieprevraŝeniâvsmesikvarcasalûminiempoddeistviemsferičeskishodâŝihsâudarnyhvolnivnutrenneestroeniezemnoimantii AT dobromyslovav fízikohímíčníperetvorennâusumíšíkvarcuzalûmíníêmpíddíêûsferičnozbížnihudarnihhvilʹívnutríšnâbudovazemnoímantíí AT talucni fízikohímíčníperetvorennâusumíšíkvarcuzalûmíníêmpíddíêûsferičnozbížnihudarnihhvilʹívnutríšnâbudovazemnoímantíí AT kozlovea fízikohímíčníperetvorennâusumíšíkvarcuzalûmíníêmpíddíêûsferičnozbížnihudarnihhvilʹívnutríšnâbudovazemnoímantíí AT dobromyslovav physicalandchemicaltransformationsinquartzaluminiummixtureundertheactionofsphericalconvergingshockwavesandtheinternalstructureofearthmantle AT talucni physicalandchemicaltransformationsinquartzaluminiummixtureundertheactionofsphericalconvergingshockwavesandtheinternalstructureofearthmantle AT kozlovea physicalandchemicaltransformationsinquartzaluminiummixtureundertheactionofsphericalconvergingshockwavesandtheinternalstructureofearthmantle |