矿物物理学

矿物物理学是构成行星（尤其是地球）内部的材料科学。 它与专注于全岩特性的岩石物理学重叠。 它提供的信息可以根据地球内部深处的特性解释地震波、重力异常、地磁场和电磁场的表面测量结果。 这些信息可用于深入了解板块构造、地幔对流、地球发电机和相关现象。

矿物物理学的实验室工作需要高压测量。 最常见的工具是金刚石砧座，它使用金刚石将小样本置于可接近地球内部条件的压力下。

矿物物理学的许多开创性研究都涉及使样品受到冲击的爆炸或射弹。 在短暂的时间间隔内，样品在冲击波通过时处于压力之下。 通过这种方法已经达到了地球上任何地方的压力。 然而，该方法有一些缺点。 压力非常不均匀并且不是绝热的，因此压力波会在经过时加热样品。 实验条件必须根据一组称为 Hugoniot 曲线的压力-密度曲线来解释。

多砧压力机包括一系列砧座，以将来自压力机的压力集中到样品上。 通常，该设备使用八个立方体形碳化钨砧座来压缩包含样品的陶瓷八面体和陶瓷或 Re 金属炉。 砧座通常放置在大型液压机中。 该方法由日本的 Kawai 和 Endo 开发。 与冲击压缩不同，施加的压力是稳定的，样品可以用炉子加热。 使用 WC 砧座和铬酸镧炉可获得约 28 GPa 的压力（相当于 840 公里的深度）和高于 2300 °C 的温度。 该设备非常笨重，无法达到金刚石压砧（下图）中的压力，但它可以处理更大的样品，这些样品可以在实验后进行淬火和检查。 最近，为这种压力机开发了烧结金刚石压砧，可以达到 90 GPa（2700 公里深度）的压力。

金刚石压砧是一种用于集中压力的小型台式设备。 它可以将一小块（亚毫米大小的）材料压缩到极端压力，可以超过 3,000,000 个大气压（300 吉帕）。 这超出了地球中心的压力。 金刚石尖端的压力集中是因为它们的硬度，而它们的透明度和高导热性允许使用各种探针来检查样品的状态。 样品可以加热到数千度。

实现地球内部的温度对于矿物物理学的研究与产生高压一样重要。 有几种方法可用于达到这些温度并对其进行测量。 电阻加热是最常见和最容易测量的。 对电线施加电压会加热电线和周围区域。 有多种加热器设计可供选择，包括加热整个金刚石砧座 (DAC) 主体的加热器和安装在主体内部以加热样品室的加热器。 由于金刚石在该温度以上氧化，空气中的温度可能会低于 700 °C。 在氩气氛下，可以达到高达 1700 °C 的更高温度，而不会损坏钻石。 BX90 DAC 的钨电阻加热器达到了 1400 °C 的温度。

激光加热是在带有 Nd:YAG 或 CO_{2 激光器的金刚石砧座中完成的，以达到 6000k 以上的温度。 光谱学用于测量样品的黑体辐射以确定温度。 激光加热继续扩大金刚石砧座可达到的温度范围，但存在两个明显的缺点。 首先，使用这种方法很难测量低于 1200 °C 的温度。 其次，样品中存在较大的温度梯度，因为只有被激光击中的样品部分被加热。}

要推断地球深处矿物的特性，有必要知道它们的密度如何随压力和温度变化。 这种关系称为状态方程 (EOS)。 德拜晶格谐振模型预测的 EOS 的一个简单示例是 Mie-Grünheisen 状态方程：

( d P d T ) = γ D V C V , {displaystyle left({frac {dP}{dT}}right)={frac {gamma _{D}}{V} }简历}，}

其中 C V {displaystyle C_{V}} 是热容量，而 γ D {displaystyle gamma _{D}} 是德拜伽玛。