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祝賀!巢湖明月助力科研成果再登《Nature》,揭示地球內核軟化之謎

近日,中國科學院地球化學研究所北京高壓科學研究中心研究團隊,依托合肥先進計算中心的強大算力,通過利用第一性原理分子動力學,預測了地球內核的超離子態,揭示了內核軟化之謎。這一研究成果在國際知名期刊Nature》上發表,并對合肥先進計算中心致謝。何宇研究員為論文的第一和通訊作者、博士研究生孫士川為論文第一作者。

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論文標題:Superionic iron alloys and their seismic velocities in Earth’s inner core

 

1936年,Inge Lehmann通過觀測分析地震縱波穿過地核時形成的影區,首次發現了地球內核的存在。人們根據縱波和橫波數據的分析,確立了地球液態外核和固態內核的基本認知。然而受限于觀測數據的匱乏,且地核處于極端高溫高壓環境下,人們對地核結構和性質的認知非常有限,地核是地球深處最神秘的地方。

 

內核的密度比純鐵要低,因而人們推測地球內核中存在某些輕元素,其中硅、硫、碳、氧、氫被認為是最有可能存在于地球內核的輕元素,對于這些潛在的輕元素鐵合金,前人做了大量的研究以此來約束地球內核的組成和性質,然而,這些輕元素在內核中的存在狀態卻很少被關注。該研究團隊發現六方相(hcp)Fe-H,Fe-C和Fe-O合金在內核溫壓下轉變為超離子態,表明地球內核并非傳統認知的固態,而是由固態鐵和流動的輕元素組成的超離子態。

 

地球內核處于極端的高溫高壓狀態,而基于密度泛函理論的第一性原理分子動力學方法是模擬地球深部物質狀態和性質的重要研究手段,研究團隊利用該方法在地核溫壓下,對Fe-H、Fe-C和Fe-O合金進行了計算模擬,基于前人研究結果,所選取的模型中H、C和O的含量分別為0.45 wt%、1.33 wt%和1.75 wt%(對應分子式為:FeH0.25、FeC0.0625、FeO0.0625)。他們發現上述合金在溫度升高至2500-3000 K時轉變成了超離子態,在超離子態合金中,C、H、O離子在鐵“骨架”結構的間隙中快速擴散,表現出流體的特征。針對計算模擬中容易獲得過熱態,即計算模型在熔點之上仍然保持固態,該團隊利用固-液共存法對上述合金的熔點進行了約束,計算得到,在內核壓力下超離子態合金的熔點比純鐵低,約為5500-6000 K。通過一系列溫度和壓力下的計算模擬,獲得了固態-超離子態-液態轉變相圖(圖1),證實了超離子態合金在內核溫壓下的穩定性。

 

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1:地核溫壓下FeH0.25、FeC0.0625、FeO0.0625的固態-超離子態-液態相圖

 

通過模擬獲得的輕元素離子的位移與時間關系,研究團隊計算了輕元素離子在超離子態鐵合金中的擴散系數(圖2),C、H、O離子擴散系數隨著溫度增加,有趣的是,在內核邊界的條件下,其擴散系數在固體和熔體中幾乎不變,表明輕元素的擴散性質在內外核并沒有顯著改變,因而輕元素的對流可能在內核中廣泛存在??焖贁U散的離子可能導致電導率的變化,然而根據計算,發現超離子態鐵合金離子電導率相較于電子電導率低了2-3個數量級,因此由超離子態轉變導致的電導率變化幾乎可以忽略不計。

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2:地核溫壓下輕元素離子在超離子態鐵合金中的擴散系數

 

為了與地震學測量數據對比,利用第一性原理分子動力學方法,研究團隊對超離子態合金的彈性性質和地震波速進行了模擬計算,該方法充分考慮離子擴散和晶格的非諧振動,適用于超離子態體系。研究發現,超離子態轉變導致合金加速軟化,引起地震波速顯著降低,其數值能夠與地震學的觀測結果很好符合(圖3)。模擬結果表明,流動的輕元素雜質可以引起鐵合金的軟化,特別是橫波波速的降低解釋了內核軟化之謎。

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3:FeH0.25、FeC0.0625、FeO0.0625的超離子態結構的地震波速與地震學PREM模型進行對比

 

地震學研究顯示,內核結構展現出復雜的異質性和各向異性特征,還存在地震波衰減和結構變化等特性。解答上述未解之謎,是認知內核結構、組成和演化的關鍵。超離子態內核,更新了我們對內核狀態的認知,流體一般運動的輕元素為認識內核對流、各向異性結構與形成、地球內核結構與地磁場之間的關系以及地震波的衰減提供了新的線索(圖4)。

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4:超離子態輕元素內核對流

 

 

相關論文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04361-x


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