Física Mineral - Mineral physics

A física mineral é a ciência dos materiais que compõem o interior dos planetas, principalmente a Terra. Ele se sobrepõe à petrofísica , que se concentra nas propriedades da rocha inteira. Ele fornece informações que permitem a interpretação de medições de superfície de ondas sísmicas , anomalias de gravidade , campos geomagnéticos e campos eletromagnéticos em termos de propriedades no interior profundo da Terra. Essas informações podem ser usadas para fornecer insights sobre as placas tectônicas , convecção do manto , o geodinamo e fenômenos relacionados.

O trabalho de laboratório em física mineral requer medições de alta pressão. A ferramenta mais comum é uma célula de bigorna de diamante , que usa diamantes para colocar uma pequena amostra sob pressão que pode se aproximar das condições no interior da Terra.

Criação de altas pressões

Compressão de choque

Muitos dos estudos pioneiros em física mineral envolveram explosões ou projéteis que sujeitam uma amostra a um choque. Por um breve intervalo de tempo, a amostra está sob pressão enquanto a onda de choque passa. Pressões tão altas quanto qualquer outra na Terra foram alcançadas por este método. No entanto, o método tem algumas desvantagens. A pressão é muito não uniforme e não é adiabática , então a onda de pressão aquece a amostra ao passar. As condições do experimento devem ser interpretadas em termos de um conjunto de curvas de pressão-densidade chamadas curvas de Hugoniot .

Prensa multi-bigorna

As prensas multi-bigorna envolvem um arranjo de bigornas para concentrar a pressão de uma prensa em uma amostra. Normalmente, o aparelho usa um arranjo de oito bigornas de carboneto de tungstênio em forma de cubo para comprimir um octaedro de cerâmica contendo a amostra e um forno de cerâmica ou metal Re. As bigornas são normalmente colocadas em uma grande prensa hidráulica . O método foi desenvolvido por Kawai e Endo no Japão. Ao contrário da compressão de choque, a pressão exercida é constante e a amostra pode ser aquecida usando um forno. Pressões de cerca de 28 GPa (equivalente a profundidades de 840 km) e temperaturas acima de 2300 ° C podem ser obtidas usando bigornas WC e um forno de cromita de lantânio. O aparelho é muito volumoso e não pode atingir pressões como aquelas na célula da bigorna de diamante (abaixo), mas pode lidar com amostras muito maiores que podem ser resfriadas e examinadas após o experimento. Recentemente, bigornas de diamante sinterizado foram desenvolvidas para este tipo de prensa, podendo atingir pressões de 90 GPa (2700 km de profundidade).

Bigorna de diamante

Esquemas do núcleo de uma célula de bigorna de diamante. O tamanho do diamante é de alguns milímetros no máximo

A bigorna de diamante é um pequeno dispositivo de mesa para concentrar a pressão. Ele pode comprimir um pequeno pedaço de material (tamanho inferior a um milímetro) a pressões extremas , que podem exceder 3.000.000 de atmosferas (300 gigapascais ). Isso está além das pressões no centro da Terra . A concentração de pressão na ponta dos diamantes é possível devido à sua dureza , enquanto sua transparência e alta condutividade térmica permitem que uma variedade de sondas possam ser utilizadas para examinar o estado da amostra. A amostra pode ser aquecida a milhares de graus.

Criando altas temperaturas

Alcançar as temperaturas encontradas no interior da Terra é tão importante para o estudo da física mineral quanto criar altas pressões. Vários métodos são usados ​​para atingir essas temperaturas e medi-las. O aquecimento resistivo é o mais comum e mais simples de medir. A aplicação de uma tensão a um fio aquece o fio e a área circundante. Uma grande variedade de projetos de aquecedores estão disponíveis, incluindo aqueles que aquecem todo o corpo da bigorna de diamante (DAC) e aqueles que se encaixam no corpo para aquecer a câmara de amostra. Temperaturas abaixo de 700 ° C podem ser alcançadas no ar devido à oxidação do diamante acima desta temperatura. Com uma atmosfera de argônio , temperaturas mais altas de até 1700 ° C podem ser alcançadas sem danificar os diamantes. Os aquecedores resistivos de tungstênio para BX90 DAC atingiram temperaturas de 1400 ° C.

O aquecimento a laser é feito em uma célula de bigorna de diamante com lasers Nd: YAG ou CO2 para atingir temperaturas acima de 6000k. A espectroscopia é usada para medir a radiação de corpo negro da amostra para determinar a temperatura. O aquecimento a laser continua a estender a faixa de temperatura que pode ser alcançada na célula de bigorna de diamante, mas apresenta duas desvantagens significativas. Primeiro, temperaturas abaixo de 1200 ° C são difíceis de medir usando este método. Em segundo lugar, existem grandes gradientes de temperatura na amostra porque apenas a parte da amostra atingida pelo laser é aquecida.

Propriedades dos materiais

Equações de estado

Para deduzir as propriedades dos minerais nas profundezas da Terra, é necessário saber como sua densidade varia com a pressão e a temperatura . Essa relação é chamada de equação de estado (EOS). Um exemplo simples de um EOS que é previsto pelo modelo Debye para vibrações de rede harmônica é a equação de estado de Mie-Grünheisen:

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

onde está a capacidade de calor e é a gama Debye. O último é um dos muitos parâmetros de Grünheisen que desempenham um papel importante na física de alta pressão. Uma EOS mais realista é a equação de estado de Birch-Murnaghan . ${\ displaystyle C_ {V}}$${\ displaystyle \ gamma _ {D}}$

Interpretando velocidades sísmicas

A inversão de dados sísmicos fornece perfis de velocidade sísmica em função da profundidade. Isso ainda deve ser interpretado em termos das propriedades dos minerais. Uma heurística muito útil foi descoberta por Francis Birch : traçando dados para um grande número de rochas, ele encontrou uma relação linear da velocidade de onda de compressão de rochas e minerais de peso atômico médio constante com densidade :${\ displaystyle v_ {p}}$ ${\ displaystyle {\ overline {M}}}$${\ displaystyle \ rho}$

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

Essa relação ficou conhecida como lei de Birch . Isso torna possível extrapolar as velocidades conhecidas de minerais na superfície para prever velocidades mais profundas na Terra.

Outras propriedades físicas

• Viscosidade
• Fluência (deformação)
• Derretendo
• Condução elétrica e outras propriedades de transporte

Métodos de interrogação de cristal

Existem vários procedimentos experimentais projetados para extrair informações de cristais individuais e em pó. Algumas técnicas podem ser usadas em uma célula de bigorna de diamante (DAC) ou uma prensa de bigorna múltipla (MAP). Algumas técnicas são resumidas na tabela a seguir.

Cálculos dos primeiros princípios

Usando técnicas numéricas da mecânica quântica, é possível obter previsões muito precisas das propriedades do cristal, incluindo estrutura, estabilidade termodinâmica, propriedades elásticas e propriedades de transporte. O limite de tais cálculos tende a ser o poder de computação, já que tempos de execução de computação de semanas ou até meses não são incomuns.

História

O campo da física mineral não foi nomeado até a década de 1960, mas suas origens remontam pelo menos ao início do século 20 e o reconhecimento de que o núcleo externo é fluido porque o trabalho sísmico de Oldham e Gutenberg mostrou que não permitia a propagação de ondas de cisalhamento .

Um marco na história da física mineral foi a publicação de Densidade da Terra por Erskine Williamson, um físico matemático, e Leason Adams, um experimentalista. Trabalhando no Laboratório Geofísico da Instituição Carnegie de Washington , eles consideraram um problema que há muito intrigava os cientistas. Sabia-se que a densidade média da Terra era cerca de duas vezes a da crosta , mas não se sabia se isso se devia à compressão ou a mudanças na composição do interior. Williamson e Adams presumiram que as rochas mais profundas são comprimidas adiabaticamente (sem liberar calor) e derivaram a equação de Adams-Williamson , que determina o perfil de densidade a partir das densidades medidas e propriedades elásticas das rochas. Eles mediram algumas dessas propriedades usando uma prensa hidráulica de 500 toneladas que aplicou pressões de até 1,2 gigapascais (GPa). Eles concluíram que o manto terrestre tinha uma composição diferente da crosta, talvez silicatos ferromagnésicos, e o núcleo era uma combinação de ferro e níquel. Eles estimaram a pressão e a densidade no centro em 320 GPa e 10.700 kg / m ³ , não muito longe das estimativas atuais de 360 ​​GPa e 13.000 kg / m ³ .

O trabalho experimental no Laboratório de Geofísica se beneficiou do trabalho pioneiro de Percy Bridgman na Universidade de Harvard , que desenvolveu métodos para pesquisas de alta pressão que levaram ao Prêmio Nobel de Física . Um aluno dele, Francis Birch , liderou um programa para aplicar métodos de alta pressão à geofísica. Birch estendeu a equação de Adams-Williamson para incluir os efeitos da temperatura. Em 1952, publicou um artigo clássico, Elasticidade e constituição do interior da Terra , no qual estabeleceu alguns fatos básicos: o manto é predominantemente silicato ; há uma transição de fase entre o manto superior e inferior associada a uma transição de fase; e o núcleo interno e externo são ambos ligas de ferro.

Referências

Leitura adicional

links externos

• "Ensino de física mineral através do currículo" . Na vanguarda - desenvolvimento profissional para professores de geociências . Retirado em 21 de maio de 2012 .