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在地球科学中,地球内部物质在高温高压条件下的物理化学性质一直是地学界研究的热点,因而高温高压下物质的状态方程备受关注。关于获取物质状态方程的方法,矿物可以使用X光衍射等实验方法测量其在高温高压状态下的体积直接得到,而对于无晶体结构的熔体,其体积是无法通过实验直接测量。根据Newton-Laplace方程可知,密度是与声速和绝热体积模量相关的,可知通过测量熔体在高温高压下的声速可推导出其状态方程。在过去的几十年中,高温高压下物质的声速测量是高压科学的一项重要研究内容,而大腔体压机中的声速测量研究已经取得了巨大的进步,在地质、地球物理学和高压物理学等领域得到了充分的应用。 实验研究中为了能够得到较高质量的数据,高温高压仪器设备的选择也是设计实验的重要环节之一。本文将使用两种常用的高压实验方法来对熔体的声速进行测量,并通过热力学关系推导出熔体在高温高压下的状态方程和弹性参数。 静态压力下熔体状态方程的推导中,使用了等温升压声速并结合一系列经典的热力学关系式,来推导出熔体密度、热膨胀系数、比热容、等温和绝热体积模量以及Grüneisen参数随着温度压力变化的拟合公式。为了验证该计算方法的可行性,分别选择了铋熔体和橄榄石矿物晶体进行测试。在铋熔体部分,在六面顶压机上通过超声波反射法测量了铋熔体等温升压声速。在得到了液相的状态方程之后,结合之前有关固相的研究数据以及Gibbs自由能公式和Clausius-Clapeyron公式计算了至8GPa的熔化曲线。熔化曲线在5GPa内与之前实验得到结果具有较好的一致性;在外推至8GPa时,也与使用理论计算得到的结果近似。这不仅证明了本次实验得到的声速数据的准确性,也验证了使用热力学方法计算熔化曲线的可行性以及相边界和熔化曲线的自洽性。在橄榄石晶体部分,同样使用了热力学公式推导出了橄榄石晶体的状态方程,得到的高温高压下体积与实验测量的结果相一致。同时,还得到了橄榄石的比热容随着压力的变化。这对判断地球内部热力学状态的研究具有非常重要的意义。 冲击波下测量熔体速度的实验中,使用二级轻气炮测量了预加热至990K的透辉石和钙长石混合玻璃从80GPa至134GPa压力下冲击波速度和飞片速度。在实验中,同时使用了六通道测温仪测量了样品的冲击温度。之后,通过测量得到的飞片速度和冲击速度,结合Rankine-Hugoniot关系式推导出了样品的粒子速度、冲击密度和冲击压力。并得到了反应冲击速度和粒子速度关系的线性Hugoniot。利用线性Hugoniot得到了样品的体积模量之后,结合之前1673K的数据,计算出了混合玻璃的Grüneisen参数以及第二Grüneisen参数q的值。结果均在之前数据的结果范围之内。另外,实验测量的冲击温也与使用三阶Birch-Murnaghan状态方程推算的结果相一致。 总体来说,无论是在静态压力下使用六面顶压机在低压下进行声速测量,还是在冲击波下使用二级轻气炮在高压下的声速进行测量,都取得了较好的实验结果,并得到了较高质量的熔体状态方程以及弹性参数数据。因此,在地质科学的高温高压实验中,要根据需要解决地质问题和所要研究的温度压力范围来设计实验步骤并选择合适的实验方法。