La física mineral es la ciencia de los materiales que componen el interior de los planetas, en particular la Tierra. Se superpone con la petrofísica , que se centra en las propiedades de las rocas en su conjunto. Proporciona información que permite la interpretación de las mediciones superficiales de ondas sísmicas , anomalías de la gravedad , campos geomagnéticos y campos electromagnéticos en términos de propiedades en el interior profundo de la Tierra. Esta información se puede utilizar para proporcionar conocimientos sobre la tectónica de placas , la convección del manto , la geodinamo y fenómenos relacionados.
El trabajo de laboratorio en física de minerales requiere mediciones de alta presión. La herramienta más común es una celda de yunque de diamante , que utiliza diamantes para poner una pequeña muestra bajo presión que puede acercarse a las condiciones del interior de la Tierra.
Muchos de los estudios pioneros en física de minerales implicaron explosiones o proyectiles que someten una muestra a un choque. Durante un breve intervalo de tiempo, la muestra está bajo presión a medida que la onda de choque pasa a través de ella. Se han logrado presiones tan altas como las de cualquier otro lugar de la Tierra mediante este método. Sin embargo, el método tiene algunas desventajas. La presión es muy desigual 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 de Hugoniot . [1]
Las prensas de yunque múltiple implican una disposición de yunques para concentrar la presión de una prensa sobre 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 cerámico o de metal Re. Los yunques se colocan normalmente en una gran prensa hidráulica . El método fue desarrollado por Kawai y Endo en Japón. [2] A diferencia de la compresión por choque, la presión ejercida es constante y la muestra se puede calentar utilizando 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 de yunque de diamante (abajo), pero puede manejar muestras mucho más grandes que se pueden enfriar y examinar después del experimento. [5] Recientemente se han desarrollado yunques de diamante sinterizado para este tipo de prensas que pueden alcanzar presiones de 90 GPa (2700 km de profundidad). [6]
La celda de yunque de diamante es un pequeño dispositivo de sobremesa para concentrar la presión. Puede comprimir un trozo pequeño (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.
Alcanzar las temperaturas que se encuentran en el interior de la Tierra es tan importante para el estudio de la física de minerales 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. Existe una gran variedad de diseños de calentadores disponibles, incluidos los que calientan todo el cuerpo de la celda de yunque de diamante (DAC) y los que se ajustan dentro del cuerpo para calentar la cámara de muestra. Se pueden alcanzar temperaturas inferiores a 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. Se informó que un calentador resistivo de tungsteno con Ar en un DAC BX90 alcanzó temperaturas de 1400 °C. [8]
El calentamiento por láser se realiza en una celda de yunque de diamante con láseres Nd:YAG o CO2 para alcanzar temperaturas superiores a 6000k. Se utiliza espectroscopia para medir la radiación del cuerpo negro de la muestra y determinar la temperatura. El calentamiento por láser continúa ampliando el rango de temperaturas que se puede alcanzar en la celda de yunque de diamante, pero presenta dos inconvenientes importantes. En primer lugar, las temperaturas inferiores a 1200 °C son difíciles de medir con este método. En segundo lugar, existen grandes gradientes de temperatura en la muestra porque solo se calienta la parte de la muestra que alcanza el láser. [ cita requerida ]
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 sencillo de una EOS predicha por el modelo de Debye para vibraciones reticulares armónicas es la ecuación de estado de Mie-Grünheisen:
donde es la capacidad térmica y es la gamma de Debye. Este último es uno de los muchos parámetros de Grünheisen que desempeñan un papel importante en la física de alta presión. Una ecuación de estado más realista es la ecuación de estado de Birch-Murnaghan . [9] : 66–73
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 representar gráficamente los datos de un gran número de rocas, encontró una relación lineal entre la velocidad de onda de compresión de rocas y minerales de un peso atómico medio constante y la densidad : [10] [11]
Esta relación se conoció como la ley de Birch y permite extrapolar las velocidades conocidas de los minerales en la superficie para predecir las velocidades en las profundidades de la Tierra.
Existen varios 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.
Utilizando técnicas numéricas de mecánica cuántica, es posible lograr predicciones muy precisas de las propiedades de los cristales, incluyendo 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
El campo de la física mineral no recibió nombre hasta la década de 1960, pero sus orígenes se remontan al menos a principios del siglo XX y al reconocimiento de que el núcleo externo es fluido porque el trabajo sísmico de Oldham y Gutenberg demostró que no permitía que las ondas transversales se propagaran. [16]
Un hito en la historia de la física mineral fue la publicación de Densidad de la Tierra por Erskine Williamson, un físico matemático, y Leason Adams, un experimentalista. Trabajando en el Laboratorio Geofísico de la Institución Carnegie 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 de la de la corteza , pero no se sabía si esto se debía a la compresión o a cambios en la 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 densidades medidas y 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). Concluyeron que el manto de la Tierra tenía una composición diferente a la de la corteza, tal vez silicatos ferromagnésicos, 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 llevaron a un Premio Nobel de Física . [17] Un estudiante suyo, Francis Birch , dirigió un programa para aplicar métodos de alta presión a la geofísica. [18] Birch extendió 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 silicatos ; hay una transición de fase entre el manto superior e inferior asociada con una transición de fase; y el núcleo interno y externo son ambos aleaciones de hierro. [19]
