地质地球所研究揭示地球内核体心立方结构不稳定

2013-11-22 09:48 来源: 中国科学院
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  地球内核条件下铁及其合金究竟具有怎样的晶体结构?这是地球深部研究关注的关键问题之一,对该问题的解答将牵一发而动全身地影响到“内外核平衡温度”、“内外核轻元素分配”、“外核物质对流机制”等一系列核心科学问题。目前人们对地球内核结构存在较大争议:一方面,综合已有的高温高压实验和理论计算结果,一般认为高压下密排六方结构(hcp)最稳定;而另一方面地震学观测结果显示,地球内核具有复杂的分层结构和各向异性,hcp结构很难合理解释这些特征,而体心立方结构(bcc)似乎更符合观测数据。

  为了解决这种争议,前人提出高温高压下bcc结构存在重新稳定的可能,这来自于两方面的因素:1.高温使得熵的作用增大,热力学上有利于较为疏松有序的bcc结构;2.bcc结构在高压下存在的力学不稳定问题,可由高温下的非谐性效应、少量硫、碳、硅、氧等轻元素掺杂效应等因素有效克服。虽然这两方面趋势已得到大家认可,但目前对bcc结构在地球内核条件下的稳定性还没有准确判断。

  中科院地质与地球物理研究所地球深部结构与过程研究室博士生崔航和张志刚副研究员、张毅刚研究员,利用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学模拟方法,对高温和轻元素掺杂因素对bcc相变的影响进行了系统研究。由于bcc到面心立方结构(fcc)存在连续相变路径,通过调节表征该相变过程的应变参数,该研究运用热力学积分法得到相变路径上的自由能变化,大大提高了计算结果的精确性。该研究证实高温和轻元素确实对bcc的稳定性有一定促进作用,但不足以使该相稳定存在于地球内核中(图1)。

  该研究成果近期发表在国际地学期刊Geophysical Research Letters (Cui et al. The effect of Si and S on the stability of bcc iron with respect to tetragonal strain at the Earth’s inner core conditions. Geophysical Research Letters, 2013, 40: 2958-2962, doi:10.1002/grl.50582)。

图1 bcc-fcc相变路径上的应力和自由能变化 t=1对应的是bcc结构,t=1.26(即2^1/3)对应的是fcc结构。从该图可以看出,fcc结构始终处于整个相变路径的能量最低点,因而bcc结构不具备热力学和力学稳定性。