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【前沿報道】PNAS:地核溫壓條件下Fe-Si-O系統發生不混融的證據
2019-05-23 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  大量地震學證據表明地球液態外核的頂部存在一個穩定層,一般稱為E’層。該層具有較低的P波速度,并且由于是穩定的層,也與整個外核相比具有相對較低的密度,否則就會由于重力的作用而下沉。對于該層的形成機制,前人提出了各種解釋。比如,由固態內核結晶排出的輕元素上浮到地核頂部堆積;由地核和地幔相互發生化學反應的產物堆積形成;甚至是在地球形成時,由于小行星撞擊地球,小行星的核穿過地幔進入地核,但由于不能與地核融合,從而堆積在地核頂部。 

  美國耶魯大學的Arveson et al.2019)近日在PNAS上發表了他們的最新成果,提出地核頂部的穩定層是由Fe-Si-O系統發生不混融造成的,也就是說Fe-Si-O在地核溫壓條件下分成兩個能夠共存但成分不一致的流體。不混融在日常生活中最常見的就是水和油的不混融,地質學當中常見的不混融也許應該是流體發生不混融,該現象經常是成礦的關鍵機制。此外,巖漿也能發生不混融現象。 

  為了獲得在地核如此高溫高壓環境下Fe-Si-O系統仍然能夠發生不混融的證據,Arveson等結合使用了高溫高壓實驗和第一原理模擬兩種方法。實驗是將樣品封裝在金剛石壓腔里實現高壓,然后用高能量激光照射樣品形成高溫,根據淬火后樣品的結構特征,判斷是否發生了不混融。如果樣品結構均勻,就認為是混融;如果樣品呈現條帶狀,就認為發生了不混融。通過電子探針可以大致確定兩個不混融相的成分。結果他們發現不混融相的主要區別在含氧量上面,一個富含氧,一個相對缺失氧。他們還通過第一原理分子動力學方法,巧妙地通過分子動力學模擬過程中原子的行走路徑,原子聚集形成的簇的形狀,原子之間配位數變化等進一步確認了他們實驗的結果,同時將實驗溫壓結果推廣到更高的溫壓條件,即地核溫壓條件下Fe-Si-O系統仍然有可能發生不混融。 

  這個結果的第一個意義是進一步加深了我們對地核成分的認識。地震學的觀測結果是這一層位同時具有較低的密度和P波速度。密度和速度是一對矛盾體,輕元素的加入會降低密度,但卻會提高波速。因此,為了滿足同時低密和低波速,必須在SiO這兩個輕元素之外,再加入第三個輕元素,并且第三個輕元素在兩個不混融相中的成分很不一樣,才能滿足地震學的觀測。這樣整個地核成分系統就會變得更加復雜。 

  第二個重要意義是不混融的出現將改變傳統的地核演化路徑,從而改變我們對用古地磁學方法測量的地球古磁場強度變化機制的認識。如圖1所示,由AB再到C,隨著地核溫度的逐步降低(分別用左側圖中A中的紅色線,B中的褐色線,和C中的藍色線逐步降低來表示),地核在A首先呈現的是Fe-Si-O混融狀態。然后在B發生不混融。由于不混融發生在地核中心,同時不混融出來的相由于富含更多氧,密度較小,會上浮,從而推動地核流體運動,產生磁場。這是推動地核磁場運轉的一個新機制。混融和不混融的邊界(B中右圖虛線),由于兩個不混融相成分的改變會不斷縮放,造成液態地核內部復雜的流體運動方式。在未來地核發電機模擬中,也許應該考慮不混融造成的流體運動所產生的地磁場特征,并與古地磁學測量結果進行對比,深入認識地磁場的運行機制。最后,隨著溫度的進一步降低,地核演化成我們現在看到的狀態C,外核頂部有一個穩定層,最內部為固態內核。 

  顯然,研究Fe-Si-O的不混融對我們認識地核和地球磁場的演化具有非常重要意義。 

1 地核演化路徑(Arveson et al., 2019)。A中的紅色線,B中的褐色線和C中的藍色線分別代表地核溫度分布情況。左側圖中兩條虛線中間區域代表不混融發生區間。右側圖為地核結構

  主要參考文獻 

  Arveson S M, Deng J, Karki B B, et al. Evidence for Fe-Si-O liquid immiscibility at deep Earth pressures[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 116 (21): 10238-10243.原文鏈接 

  (撰稿:張毅剛/地星室)

 
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