陨石撞击能产生一种独特的二氧化硅晶体结构

由卡内基梅隆大学的莎莉·琼·特蕾西领导的一项新研究,检查了冲击压缩下二氧化硅矿物的石英晶体结构,并对这种普遍存在的矿物先前的假设提出了挑战。研究结果发表在科学进展期刊上。

石英是地壳中含量最高的矿物之一,存在于多种不同的岩石中,特蕾西解释说,在实验室中,我们可以模拟陨石的撞击并观察会发生什么。

研究人员使用一种类似炮弹的空气枪,以极高的速度将弹丸撞击石英样品(比从步枪射出的子弹还要快好几倍)。接下来利用特殊的X射线仪器来辨别在撞击后不到百万分之一秒内形成的物质的晶体结构。

X射线衍射图显示了使用专用空气枪产生强烈冲击波通过石英样品,所形成的新二氧化硅结构。当X射线从晶体结构的重复平面反射回来时,它们会散射,产生了独特的环形图案。每个环都与一个不同的平面相关联,这些数据可以告诉研究人员物质的原子级结构。
X射线衍射图显示了使用专用空气枪产生强烈冲击波通过石英样品,所形成的新二氧化硅结构。当X射线从晶体结构的重复平面反射回来时,它们会散射,产生了独特的环形图案。每个环都与一个不同的平面相关联,这些数据可以告诉研究人员物质的原子级结构。

石英是由一个硅原子和两个氧原子组成的四面体晶格结构。因为这些元素在地球富含硅酸盐的地函中也很常见,藉由在实验室发现石英在高压和高温条件下所经历的变化,如同在地球内部发现的那样,也可以揭示地球地质历史的细节

尽管经过几十年的研究,科学界对二氧化硅在撞击事件中,或者在动态压缩(Dynamic Compression)条件下,二氧化硅会以何种形式存在,这一争论由来已久。在冲击作用下,二氧化硅通常认为会转变为一种致密的晶体形式,称为斯石英(Stishovite),一种被认为存在于地球深部的矿物结晶构造。另一些人则认为,由于冲击波的时间尺度较短,应会形成一种致密的玻璃状结构。

然而特蕾西的研究团队证明与预期相反,当受到大于30万倍大气压的冲击时,石英经历了一个新的无序晶相的转变,其结构介于结晶状的斯石英和完全无序的玻璃之间。然而,一旦巨大的压力消退,新的结构就无法维持下去。

实验结果使我们得以解决这一长期争论,特蕾西总结说,此外,撞击事件是了解行星形成和演化的重要部分,持续的研究可以揭示有关这些过程的新资讯。

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