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【前沿报道】PNAS:地核温压条件下Fe-Si-O系统发生不混融的证据
2019-05-23 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  大量地震学证据表明地球液态外核的顶部存在一个稳定层,一般称为E’层。该层具有较低的P波速度,并且由于是稳定的层,也与整个外核相比具有相对较低的密度,否则就会由于重力的作用而下沉。对于该层的形成机制,前人提出了各种解释。比如,由固态内核结晶排出的轻元素上浮到地核顶部堆积;由地核和地幔相互发生化学反应的产物堆积形成;甚至是在地球形成时,由于小行星撞击地球,小行星的核穿过地幔进入地核,但由于不能与地核融合,从而堆积在地核顶部。 

  美国耶鲁大学的Arveson et al.2019)近日在PNAS上发表了他们的最新成果,提出地核顶部的稳定层是由Fe-Si-O系统发生不混融造成的,也就是说Fe-Si-O在地核温压条件下分成两个能够共存但成分不一致的流体。不混融在日常生活中最常见的就是水和油的不混融,地质学当中常见的不混融也许应该是流体发生不混融,该现象经常是成矿的关键机制。此外,岩浆也能发生不混融现象。 

  为了获得在地核如此高温高压环境下Fe-Si-O系统仍然能够发生不混融的证据,Arveson等结合使用了高温高压实验和第一原理模拟两种方法。实验是将样品封装在金刚石压腔里实现高压,然后用高能量激光照射样品形成高温,根据淬火后样品的结构特征,判断是否发生了不混融。如果样品结构均匀,就认为是混融;如果样品呈现条带状,就认为发生了不混融。通过电子探针可以大致确定两个不混融相的成分。结果他们发现不混融相的主要区别在含氧量上面,一个富含氧,一个相对缺失氧。他们还通过第一原理分子动力学方法,巧妙地通过分子动力学模拟过程中原子的行走路径,原子聚集形成的簇的形状,原子之间配位数变化等进一步确认了他们实验的结果,同时将实验温压结果推广到更高的温压条件,即地核温压条件下Fe-Si-O系统仍然有可能发生不混融。 

  这个结果的第一个意义是进一步加深了我们对地核成分的认识。地震学的观测结果是这一层位同时具有较低的密度和P波速度。密度和速度是一对矛盾体,轻元素的加入会降低密度,但却会提高波速。因此,为了满足同时低密和低波速,必须在SiO这两个轻元素之外,再加入第三个轻元素,并且第三个轻元素在两个不混融相中的成分很不一样,才能满足地震学的观测。这样整个地核成分系统就会变得更加复杂。 

  第二个重要意义是不混融的出现将改变传统的地核演化路径,从而改变我们对用古地磁学方法测量的地球古磁场强度变化机制的认识。如图1所示,由AB再到C,随着地核温度的逐步降低(分别用左侧图中A中的红色线,B中的褐色线,和C中的蓝色线逐步降低来表示),地核在A首先呈现的是Fe-Si-O混融状态。然后在B发生不混融。由于不混融发生在地核中心,同时不混融出来的相由于富含更多氧,密度较小,会上浮,从而推动地核流体运动,产生磁场。这是推动地核磁场运转的一个新机制。混融和不混融的边界(B中右图虚线),由于两个不混融相成分的改变会不断缩放,造成液态地核内部复杂的流体运动方式。在未来地核发电机模拟中,也许应该考虑不混融造成的流体运动所产生的地磁场特征,并与古地磁学测量结果进行对比,深入认识地磁场的运行机制。最后,随着温度的进一步降低,地核演化成我们现在看到的状态C,外核顶部有一个稳定层,最内部为固态内核。 

  显然,研究Fe-Si-O的不混融对我们认识地核和地球磁场的演化具有非常重要意义。 

1 地核演化路径(Arveson et al., 2019)。A中的红色线,B中的褐色线和C中的蓝色线分别代表地核温度分布情况。左侧图中两条虚线中间区域代表不混融发生区间。右侧图为地核结构

  主要参考文献 

  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.原文链接 

  (撰稿:张毅刚/地星室)

 
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