高温高压下地幔矿物电导率研究

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本文中我们利用金刚石对顶砧装置,以橄榄石、菱铁矿和针铁矿为研究对象,对其进行了高压原位阻抗谱测试,对三种矿物的电输运机制进行了系统的研究,具体的实验及结果分析如下:1、建立了一种适用于高温高压下金刚石对顶砧电学测量过程中氧逸度原位控制的新方法。我们提出了一种新的氧逸度控制技术,可广泛应用于金刚石对顶砧装置对矿物和岩石中电导率的原位测量。将磁控溅射技术、薄膜微加工技术及金刚石对顶砧技术相结合,构建一种适合极端条件下(高温和高压)原位控制体系氧逸度的新装置和实验方法。实验中我们对作为样品腔的绝缘垫片进行了改进,在垫片绝缘粉中间加入氧逸度缓冲环,既可控制样品腔中的氧气氛条件,又可利用氧逸度缓冲材料形成封闭的腔体空间。在金刚石砧面上溅射金属-金属氧化物薄膜作为测试电极,克服了金刚石对顶砧装置上手工布线带来的缺陷。根据实验需要,电极可以光刻成所需要的任何构型。我们以橄榄石为研究对象,控制氧逸度条件(Mo-MoO2)获得了高达4.0GPa和873K的压力和温度下橄榄石的电导率。根据Arrhenius关系获得了一些重要的物理参数,如活化焓,活化能和活化体积,确定了橄榄石中的传导机制为小极化子。小极化子的导电机制为橄榄石中导电率的氧逸度依赖性变化提供了合理的解释。2、高压下菱铁矿的电输运性质应用高压原位阻抗谱技术,获得了高压下菱铁矿的电学数据。研究了0.244.3GPa压力范围内的菱铁矿的交流阻抗谱,结合复模量谱图,我们得出在菱铁矿中主要的传导机制为晶粒内部传导,晶界贡献微小不足以影响样品的电学性质。通过等效电路拟合获得了样品电阻、电导率、弛豫频率随压力的变化关系。随着压力的增大,样品电阻减小,电导率增加,这是由于压力作用下,样品晶格参数缩小,电子云重叠程度加深,电子在原子间的跃迁距离减小。电阻、电导率、弛豫频率均在39.2GPa处发生不连续变化,这与菱铁矿样品中Fe2+发生由HS到LS的自旋态相变有关。3、高压下针铁矿的电输运性质对天然针铁矿进行了高压原位阻抗谱测试,获得了1.428.8GPa范围内的阻抗数据。对比针铁矿Nyquist图与复模量谱,确认针铁矿样品中晶界传导可以忽略不计,主要为晶粒传导。压力对针铁矿样品的电学参数具有一定的调制作用。随着压力的增加,样品的电阻减小,电导率增大。弛豫频率随压力增加而增大,通过Arrhenius关系式分析,发现压力作用下样品充放电速度变快。在1.428.8GPa压力区间内,我们发现电阻、电导率、弛豫频率都在7.9GPa和14.4GPa处生了不连续变化。7.9GPa14.4GPa范围的不连续变化归因于结构相变,α-FeOOH转变为高压相ε-FeOOH,两相中氢离子与三个铁离子位置变化,导致电子输运路径发生了变化。
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