作者:张毅刚等 来源:PNAS 发布时间:2012-12-3 16:31:26
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地核碳氮氢等轻元素含量研究获新成果

 

两相法第一原理分子动力学模拟结果。中间为铁相,周围为硅酸盐相,通过计算几何方法获得两相成分来获得元素配分系数。

地球科学最基本的一个科学问题是地球的成分是什么。这个问题也是地球科学的一个终极问题。对这个问题的探索,需要综合地球科学的各个分支学科(包括地球物理、地球化学等),需要综合对地球不同部分的研究成果(包括大气、地壳、地幔和地核),才能对这个问题有所回答。因此,地球的成分是一个提纲挈领性的科学问题。其中,地核的成分是这个总问题下的一个分问题。对地核成分的研究是一个综合性极强的研究,需要各个学科使用最先进的武器,最有创意的思想。
 
Birch在60年前(1952年)研究发现地核密度比纯铁在高温高压下的密度低,地核中必须有比铁轻的元素存在,从而提出地核密度缺失(core density deficit)和轻元素(light elements)两个概念。由于地核轻元素与地球历史早期核幔分异过程、固态内核生长、地核热结构、产生地球磁场的地核发电机工作机制等重大地球深部科学问题密切相关,因此,人们对这一科学问题开展了大量的研究。传统的研究地核成分的方法包括:(1)地震学和矿物物理学相结合,通过对比地震学获得的地核的波速和密度与矿物物理学在高温高压下获得的各种物质的波速和密度,来获得地核成分;(2)地球化学和宇宙化学相结合,利用不进入地核的亲石元素建立元素挥发性曲线(element volatility curve),利用亲铁元素归并到该曲线上所需要的量即可获得地核成分。
 
目前一系列证据表明,地球形成早期核幔分异是在岩浆洋(magma ocean)条件下进行的。在熔融条件下,汇聚到地球上的物质分成两相,铁进入地核,硅酸盐留在地幔。通过研究元素在液态铁和硅酸盐之间的分配可以获得地核的成分。过去,人们开展了大量的高温高压实验来获得各种元素的配分系数。但由于实验和分析条件的限制,高温高压下的数据仍然很少,一些重要元素,如对生命起源和气候环境变化具有重要意义的碳(C)的配分系数仍然缺失。
 
中科院地质与地球物理研究所中科院地球深部研究重点实验室的张毅刚研究员和美国加州大学戴维斯分校地质系尹庆柱教授合作,采用第一原理分子动力学这一量子力学理论计算方法,获得了包括碳在内的一系列元素的配分系数。他们在计算过程中采用了自行研发的、结合了计算几何的两相法分子动力学(如图),利用了中科院地球深部研究重点实验室并行计算中心强大的计算能力。通过这些基础性的配分数据,他们进一步探讨了碳、氮、氢等元素在地核、地幔中的含量,为进一步研究这些挥发性元素对地核和地幔演化所起的作用打下基础。他们的研究成果11月27日发表在国际著名期刊美国《国家科学院院刊》(PNAS)上。(来源:中科院地质与地球物理研究所)
 
 
 
 
 
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