作者:何宇等 来源:《自然》 发布时间:2022/2/10 8:38:31
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中科院地化所揭秘超离子态地球内核

 

北京时间2022年2月10日0时,国际顶尖学术期刊《自然》在线发表了中国科学院地球化学研究所与北京高压科学研究中心研究团队的研究成果,题为“Superionic iron alloys and their seismic velocities in Earth’s inner core”,研究团队利用第一性原理分子动力学,预测了地球内核的超离子态,解释了内核软化之谜。

何宇研究员为论文的第一和通讯作者、博士研究生孙士川为论文第一作者。

1936年,Inge Lehmann通过观测分析地震纵波穿过地核时形成的影区,首次发现了地球内核的存在。人们根据纵波和横波数据的分析,确立了地球液态外核和固态内核的基本认知。然而受限于观测数据的匮乏,且地核处于极端高温高压环境下,人们对地核结构和性质的认知非常有限,地核是地球深处最神秘的地方。

内核的密度比纯铁要低,因而人们推测地球内核中存在某些轻元素,其中硅、硫、碳、氧、氢被认为是最有可能存在于地球内核的轻元素,对于这些潜在的轻元素铁合金,前人做了大量的研究以此来约束地球内核的组成和性质,然而,这些轻元素在内核中的存在状态却很少被关注。该研究团队发现六方相(hcp)Fe-H,Fe-C和Fe-O合金在内核温压下转变为超离子态,表明地球内核并非传统认知的固态,而是由固态铁和流动的轻元素组成的超离子态。

地球内核处于极端的高温高压状态,而基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学方法是模拟地球深部物质状态和性质的重要研究手段,研究团队利用该方法在地核温压下,对Fe-H、Fe-C和Fe-O合金进行了计算模拟,基于前人研究结果,所选取的模型中H、C和O的含量分别为0.45 wt%、1.33 wt%和1.75 wt%(对应分子式为:FeH0.25、FeC0.0625、FeO0.0625)。他们发现上述合金在温度升高至2500-3000 K时转变成了超离子态,在超离子态合金中,C、H、O离子在铁“骨架”结构的间隙中快速扩散,表现出流体的特征。针对计算模拟中容易获得过热态,即计算模型在熔点之上仍然保持固态,该团队利用固-液共存法对上述合金的熔点进行了约束,计算得到,在内核压力下超离子态合金的熔点比纯铁低,约为5500-6000 K。通过一系列温度和压力下的计算模拟,获得了固态-超离子态-液态转变相图(图1),证实了超离子态合金在内核温压下的稳定性。

图1:地核温压下FeH0.25、FeC0.0625、FeO0.0625的固态-超离子态-液态相图

通过模拟获得的轻元素离子的位移与时间关系,研究团队计算了轻元素离子在超离子态铁合金中的扩散系数(图2),C、H、O离子扩散系数随着温度增加,有趣的是,在内核边界的条件下,其扩散系数在固体和熔体中几乎不变,表明轻元素的扩散性质在内外核并没有显著改变,因而轻元素的对流可能在内核中广泛存在。快速扩散的离子可能导致电导率的变化,然而根据计算,发现超离子态铁合金离子电导率相较于电子电导率低了2-3个数量级,因此由超离子态转变导致的电导率变化几乎可以忽略不计。

图2:地核温压下轻元素离子在超离子态铁合金中的扩散系数

为了与地震学测量数据对比,利用第一性原理分子动力学方法,研究团队对超离子态合金的弹性性质和地震波速进行了模拟计算,该方法充分考虑离子扩散和晶格的非谐振动,适用于超离子态体系。研究发现,超离子态转变导致合金加速软化,引起地震波速显著降低,其数值能够与地震学的观测结果很好符合(图3)。模拟结果表明,流动的轻元素杂质可以引起铁合金的软化,特别是横波波速的降低解释了内核软化之谜。

图3:FeH0.25、FeC0.0625、FeO0.0625的超离子态结构的地震波速与地震学PREM模型进行对比

地震学研究显示,内核结构展现出复杂的异质性和各向异性特征,还存在地震波衰减和结构变化等特性。解答上述未解之谜,是认知内核结构、组成和演化的关键。超离子态内核,更新了我们对内核状态的认知,流体一般运动的轻元素为认识内核对流、各向异性结构与形成、地球内核结构与地磁场之间的关系以及地震波的衰减提供了新的线索(图4)。

图4:超离子态轻元素内核对流

该工作得到了中国科学院先导专项(XDB 18010401)、国家自然科学基金项目(42074104, 41774101, U1930401, 11774015)、中国科学院青年创新促进会基金项目(20200394)的资助。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-021-04361-x

 
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