La física mineral es la ciencia de los materiales que componen el interior de los planetas, particularmente la Tierra. Se superpone con la petrofísica , que se centra en las propiedades de toda la roca. Proporciona información que permite la interpretación de medidas superficiales de ondas sísmicas , anomalías gravitatorias , campos geomagnéticos y campos electromagnéticos en términos de propiedades en el interior profundo de la Tierra. Esta información se puede utilizar para proporcionar información sobre la tectónica de placas , la convección del manto , la geodinamo y fenómenos relacionados.
El trabajo de laboratorio en física mineral requiere mediciones de alta presión. La herramienta más común es una celda de yunque de diamante , que usa diamantes para poner una pequeña muestra bajo presión que puede acercarse a las condiciones en el interior de la Tierra.
Creando altas presiones
Compresión de choque
Muchos de los estudios pioneros en física mineral involucraron explosiones o proyectiles que someten una muestra a un choque. Durante un breve intervalo de tiempo, la muestra está bajo presión a medida que pasa la onda de choque . Con este método se han logrado presiones tan altas como cualquiera en la Tierra. Sin embargo, el método tiene algunas desventajas. La presión es muy no uniforme y no es adiabática , por lo que la onda de presión calienta la muestra al pasar. Las condiciones del experimento deben interpretarse en términos de un conjunto de curvas de presión-densidad llamadas curvas Hugoniot . [1]
Prensa de múltiples yunques
Las prensas de múltiples yunques implican una disposición de yunques para concentrar la presión de una prensa en una muestra. Normalmente, el aparato utiliza una disposición de ocho yunques de carburo de tungsteno en forma de cubo para comprimir un octaedro cerámico que contiene la muestra y un horno de cerámica o metal Re. Los yunques se colocan típicamente en una gran prensa hidráulica . El método fue desarrollado por Kawai y Endo en Japón. [2] A diferencia de la compresión de choque, la presión ejercida es constante y la muestra se puede calentar usando un horno. Se pueden alcanzar presiones de aproximadamente 28 GPa (equivalentes a profundidades de 840 km), [3] y temperaturas superiores a 2300 ° C, [4] utilizando yunques de WC y un horno de cromita de lantano. El aparato es muy voluminoso y no puede alcanzar presiones como las de la celda del yunque de diamante (abajo), pero puede manejar muestras mucho más grandes que se pueden apagar y examinar después del experimento. [5] Recientemente, se han desarrollado yunques de diamante sinterizado para este tipo de prensa que pueden alcanzar presiones de 90 GPa (2700 km de profundidad). [6]
Celda de yunque de diamante
La celda de yunque de diamante es un pequeño dispositivo de mesa para concentrar la presión. Puede comprimir una pieza pequeña (de tamaño submilimétrico) de material a presiones extremas , que pueden superar los 3.000.000 de atmósferas (300 gigapascales ). [7] Esto está más allá de las presiones en el centro de la Tierra . La concentración de presión en la punta de los diamantes es posible debido a su dureza , mientras que su transparencia y alta conductividad térmica permiten que se puedan utilizar una variedad de sondas para examinar el estado de la muestra. La muestra se puede calentar a miles de grados.
Creando altas temperaturas
Alcanzar las temperaturas que se encuentran en el interior de la tierra es tan importante para el estudio de la física mineral como crear altas presiones. Se utilizan varios métodos para alcanzar estas temperaturas y medirlas. El calentamiento resistivo es el más común y el más simple de medir. La aplicación de un voltaje a un cable calienta el cable y el área circundante. Hay disponible una gran variedad de diseños de calentadores, incluidos los que calientan todo el cuerpo de la celda de yunque de diamante (DAC) y los que encajan dentro del cuerpo para calentar la cámara de muestra. Se pueden alcanzar temperaturas por debajo de 700 ° C en el aire debido a la oxidación del diamante por encima de esta temperatura. Con una atmósfera de argón , se pueden alcanzar temperaturas más altas de hasta 1700 ° C sin dañar los diamantes. Los calentadores resistivos de tungsteno para BX90 DAC alcanzaron temperaturas de 1400 ° C. [8]
El calentamiento por láser se realiza en una celda de yunque de diamante con láseres de Nd: YAG o CO2 para alcanzar temperaturas superiores a 6000k. La espectroscopia se usa para medir la radiación de cuerpo negro de la muestra para determinar la temperatura. El calentamiento por láser continúa ampliando el rango de temperatura que se puede alcanzar en la celda de yunque de diamante, pero adolece de dos inconvenientes importantes. Primero, las temperaturas por debajo de 1200 ° C son difíciles de medir usando este método. En segundo lugar, existen grandes gradientes de temperatura en la muestra porque solo se calienta la porción de muestra golpeada por el láser. [ cita requerida ]
Propiedades de los materiales
Ecuaciones de estado
Para deducir las propiedades de los minerales en las profundidades de la Tierra, es necesario saber cómo varía su densidad con la presión y la temperatura . Esta relación se denomina ecuación de estado (EOS). Un ejemplo simple de un EOS que predice el modelo Debye para vibraciones de celosía armónica es la ecuación de estado de Mie-Grünheisen:
dónde es la capacidad calorífica yes la gama Debye. Este último es uno de los muchos parámetros de Grünheisen que juegan un papel importante en la física de alta presión. Un EOS más realista es la ecuación de estado de Birch-Murnaghan . [9] : 66–73
Interpretación de velocidades sísmicas
La inversión de los datos sísmicos proporciona perfiles de velocidad sísmica en función de la profundidad. Estos aún deben interpretarse en términos de las propiedades de los minerales. Francis Birch descubrió una heurística muy útil : al graficar datos para un gran número de rocas, encontró una relación lineal de la velocidad de la onda compresionalde rocas y minerales de peso atómico promedio constante con densidad : [10] [11]
- .
Esta relación se conoció como la ley de Birch . Esto hace posible extrapolar las velocidades conocidas de los minerales en la superficie para predecir velocidades más profundas en la Tierra.
Otras propiedades fisicas
- Viscosidad
- Fluencia (deformación)
- Derritiendo
- Conducción eléctrica y otras propiedades de transporte.
Métodos de interrogación con cristales.
Hay una serie de procedimientos experimentales diseñados para extraer información de cristales individuales y en polvo. Algunas técnicas se pueden utilizar en una celda de yunque de diamante (DAC) o en una prensa de yunque múltiple (MAP). Algunas técnicas se resumen en la siguiente tabla.
Técnica | Tipo de yunque | Tipo de ejemplo | Información extraída | Limitaciones |
---|---|---|---|---|
Difracción de rayos X (XRD) [12] | DAC o MAP | Polvo o Cristal Único | parámetros de la celda | |
Microscopio electrónico | Ninguno de los dos | Polvo o Cristal Único | Grupo de simetría | Solo medidas de superficie |
Difracción de neutrones | Ninguno de los dos | Polvo | parámetros de la celda | Muestra grande necesaria |
Espectroscopia infrarroja [13] | DAC | Polvo, monocristal o solución | Composición química | No todos los materiales son activos por infrarrojos |
Espectroscopía Raman [13] | DAC | Polvo, monocristal o solución | Composición química | No todos los materiales son Raman activos |
Dispersión de Brillouin [14] | DAC | Cristal individual | Módulos elásticos | Necesita una muestra ópticamente delgada |
Interferometría ultrasónica [15] | DAC o MAP | Cristal individual | Módulos elásticos |
Cálculos de primeros principios
Usando técnicas numéricas de la mecánica cuántica, es posible lograr predicciones muy precisas de las propiedades del cristal, incluida la estructura, la estabilidad termodinámica, las propiedades elásticas y las propiedades de transporte. El límite de tales cálculos tiende a ser la potencia de cálculo, ya que los tiempos de ejecución de los cálculos de semanas o incluso meses no son infrecuentes. [9] : 107–109
Historia
El campo de la física mineral no recibió su nombre hasta la década de 1960, pero sus orígenes se remontan al menos a principios del siglo XX y el reconocimiento de que el núcleo externo es fluido porque el trabajo sísmico de Oldham y Gutenberg mostró que no permitía que las ondas de corte se propagaran. . [dieciséis]
Un hito en la historia de la física mineral fue la publicación de Density of the Earth por Erskine Williamson, físico matemático, y Leason Adams, experimentalista. Trabajando en el Laboratorio Geofísico de la Carnegie Institution de Washington , consideraron un problema que había desconcertado a los científicos durante mucho tiempo. Se sabía que la densidad media de la Tierra era aproximadamente el doble que la de la corteza , pero no se sabía si esto se debía a la compresión oa cambios de composición en el interior. Williamson y Adams asumieron que la roca más profunda se comprime adiabáticamente (sin liberar calor) y derivaron la ecuación de Adams-Williamson , que determina el perfil de densidad a partir de las densidades medidas y las propiedades elásticas de las rocas. Midieron algunas de estas propiedades utilizando una prensa hidráulica de 500 toneladas que aplicaba presiones de hasta 1,2 gigapascales (GPa). Llegaron a la conclusión de que el manto de la Tierra tenía una composición diferente a la corteza, tal vez silicatos ferromagnesianos, y el núcleo era una combinación de hierro y níquel. Estimaron que la presión y la densidad en el centro eran 320 GPa y 10,700 kg / m 3 , no muy lejos de las estimaciones actuales de 360 GPa y 13,000 kg / m 3 . [17]
El trabajo experimental en el Laboratorio Geofísico se benefició del trabajo pionero de Percy Bridgman en la Universidad de Harvard , quien desarrolló métodos para la investigación de alta presión que lo llevaron al Premio Nobel de Física . [17] Un alumno suyo, Francis Birch , dirigió un programa para aplicar métodos de alta presión a la geofísica. [18] Birch amplió la ecuación de Adams-Williamson para incluir los efectos de la temperatura. [17] En 1952, publicó un artículo clásico, Elasticidad y constitución del interior de la Tierra , en el que estableció algunos hechos básicos: el manto es predominantemente de silicatos ; hay una transición de fase entre el manto superior e inferior asociado con una transición de fase; y el núcleo interior y exterior son aleaciones de hierro. [19]
Referencias
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- ^ Kawai, Naoto (1970). "La generación de presiones hidrostáticas ultraaltas por un aparato de esfera partida". Revisión de instrumentos científicos . 41 (8): 1178-1181. Código Bibliográfico : 1970RScI ... 41.1178K . doi : 10.1063 / 1.1684753 .
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Otras lecturas
- Kieffer, SW; Navrotsky, A. (1985). De microscópico a macroscópico: de entornos atómicos a termodinámica mineral . Washington, DC: Sociedad Mineralógica de América. ISBN 978-0-939950-18-8.
- Poirier, Jean-Paul (2000). Introducción a la Física del Interior de la Tierra . Temas de Cambridge en Física y Química de Minerales. Prensa de la Universidad de Cambridge . ISBN 0-521-66313-X.
enlaces externos
- "Enseñanza de la física de los minerales a lo largo del plan de estudios" . A la vanguardia: desarrollo profesional para profesores de geociencias . Consultado el 21 de mayo de 2012 .