冰的变形与显微结构研究

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Physics interdisciplinarity lecture

2025-07-11

提示

这是思政实践中，参观「北京高压科学研究中心」时听到的一场讲座的简记.

交叉研究：材料科学 $\Longrightarrow$ 地学研究 (地球科学)

这是一个正面的研究：已知某种物理过程，然后直接对物质施加物理影响，反推地球科学中的一些物理过程.

冰是什么样子的？

冰可能是冬天能够见到的冰，在地学研究中可能是冰川，在实验室中则是冰样品，在扫描电镜下观察可以看到冰的晶体结构.

我们研究的是冰的晶体缺陷 / 变形，要了解缺陷是如何影响变形的：比如空位、位错，或者一些二维的缺陷 (不同晶粒)、三维缺陷 (掏空、外表面缺陷).

晶格优选定向 (CPO)

可以说是一种 rheology (流变学).

\dot{\varepsilon}=f(T,P,\sigma,d,F,\phi_{\text{melt}},\phi_{\text{rock}},\cdots)

应变的来源有很多方面.

CPO：对晶体施加一些力，晶格在作用下会出现优选定向.

对于冰来说，它是一种极端各向异性的物质，在不同方向上相同应力下应变的差异可以相差 2 - 4 个数量级，所以要通过实验来确认这种应变的机制.

在实验室研究中，我们一般在 $P=10\text{ MPa}$ 量级的压强进行研究，模拟地下 $1\text{ km}$ 处的压强. 改变形变量或者温度，可以发现，在较高温度下，应力分布绕 C 轴呈现环形. 另外一方面，做一些剪切变形实验，这时在高温下呈现双点聚集应力，但是在更大的变形下，双点聚集的角度差异逐渐变小. 根据这一事实，提出模型.

为了验证上面的模型是否正确，使用材料学上比较传统的方法 (通道挤压)，得到更大的形变量. 修正的模型得到了更好的拟合结果.

但是走出实验室，地球上冰川的变化速度是远远慢于实验室的，以亿年为单位来变化. 为了外推到地球冰盖的损失速度，需要做一些尺度上的变化.

另外，外推到火星的冰川，还需要考虑岩石在火星冰川的掺杂. 这个比例暂时是不可知的，因为还没有探测器降落到火星的极地环境. 在实验室中为了模拟，在液氮中混合刚玉 (氧化铝) 和水，形成不同掺杂比例的冰.

在掺杂较少的状态下，掺杂冰和纯冰的力学性质相似；但是掺杂较多的冰的晶片滑移形变出现较大的性质差异. 通过对火星的重力、冰的力学性质双重拟合，我们可以夹逼一个范围，对火星冰川总量做一个估计. 目前这种方法作出的估计算是最大胆的一种.

再走远一点，考虑木星的四大卫星：未来探测的重点是木卫二 (Europa)、木卫三 (Ganymede)、木卫四 (Callisto) 三颗冰卫星. 研究内部的冰是否存在、结构如何… 等等问题. 我们希望在实验室中复现木卫二上「盐水火山」的喷发过程，做一个盐和冰的混合体系，研究压力梯度不均匀情况下，盐水是否能在冰中形成一个通道.

冰物理学遇到的最苛刻的评价是：「你们做的不是发现新物理的研究.」当然，从实验室到行星物理，这仍然是一种「新物理」.