研究生知识库

大量数据和现象表明，地球内部物质除受到各向同性的静水压力作用外，还广泛叠加有差异应力的作用。差异应力是各种地质现象(地震活动、板块构造以及地球形成与演化等)发生的重要驱动力。差异应力对物质的自由能具有重要贡献，而自由能是控制物质体系组成、结构、构造、性状及相互作用过程的重要因素。因此，差异应力与温度和静水压力一样，是约束地球内部物质体系最基本的热力学变量之一。然而，由于模拟高温复杂应力条件的高温高压实验设备或相关的原位测量技术受限，基本上未考虑差异应力对实验结果的影响，因此使得人们对高温高压实验所获得的有关地球内部物质的很多认识产生质疑。下地壳至上地幔上部是地球内部重要的圈层。目前，可用于模拟该深度范围的温度、静水压和差异应力的高温高压实验平台主要包括Griggs型压机、D-DIA型压机和压扭型金刚石压腔等装置。然而，Griggs型压机在高温下可模拟的最高静水压一般在2 GPa左右；而D-DIA型压机模拟该深度范围内静水压的精度有限；压扭型金刚石压腔则存在样品小、压力标定困难且工作温度不高的问题。除此之外，上述三种装置因结构上的原因还存在与各种原位测量技术之间兼容性差的问题。因此本课题组基于实验室现有的六面顶大腔体压力机，自主设计和研发一套差异应力发生装置，设想可用于室温～1300 °C、0～4 GPa围压条件下，能精确原位测量差异应力；并能方便地对接多种原位测量技术。作为该差异应力发生装置研发工作的一部分，本人博士期间的主要工作是研发一种能原位测量该装置中轴向应力的新方法。通过实验室拥有的DS6×1400 t大腔体压力机高温高压实验平台、常围压高温单轴应力力学实验平台以及常压高温超声原位测量系统，圆满地完成了该装置中轴向应力原位测量新方法的研发。主要成果包括：（1）采用常围压高温单轴应力力学实验平台即应变片法和常压高温超声原位测量系统两条彼此独立的测量途径，分别获得了拟用作装置中轴向应力杆的碳化钨材料在常温、100 °C、150 °C、200 °C、250 °C弹性模量与温度的定量关系。结果表明，在常温下应变片法所获得的弹性模量结果与厂家提供的标准值、超声测量值相差分别为2.00%和3.74%，与在不同温度下的超声测量值最大相差约为7.41%。考虑到超声测量结果系动态测量结果，其通常会比应变片法静态测量结果偏高的事实，由此说明，采用应变片法来标定差异应力发生装置中轴向应力杆的轴向应力是完全可行的。（2）通过对设计的两套差异应力发生装置中的碳化钨零部件的承压耐温可行性实验，优化出了最佳设计方案，该方案耐受的温度＞900 °C和承受的围压＞2 GPa。（3）使用优化的差异应力发生装置，在500 °C和围压0.7 GPa条件下对Carrara大理岩进行流变实验和样品表征发现：样品稳态流变阶段的应变随时间的变化成很好的线性关系；样品发生稳态流变的机制为位错蠕变；实验所获得的活化能对比前人在相同流变机制下的活化能，两者相差仅3.28%，因此充分说明了该套差异应力发生装置的可行性和可靠性，成功圆满地完成了基于六面顶大腔体差异应力发生装置中的轴向应力原位测量新方法的研发。基于六面顶大腔体压力机的差异应力发生装置中轴应力原位测量新方法的研究目前报道较少，无疑这一工作既具有很大的创新性和挑战性，又有很强的科学意义。该装置的成功研发既能充分发挥六面顶大腔体压力机的优势又能叠加并实时监测差异应力，而且适用围压更高；为后期对接原位测量技术奠定了坚实的基础；有利于推动学者们在高温高围压和差异应力条件下对地壳和上地幔物质的相变、熔融作用、物性等进行全面系统的研究，进而解释地球动力学、地质构造上的疑团和探测地球深部的奥秘；为人们重新认识地壳和上地幔的组成、结构、构造、性状及相互作用过程提供前所未有的实验支撑。