內(nèi)地核中碳含量的第一性原理研究

陳 星， 劉 勛， 黃海軍

( 武漢理工大學 理學院 高壓物理和新材料研究中心 武漢 430070 )

1 引 言

地球形成過程會在地核及地幔中留下地球物理和地球化學方面的痕跡. 地震波觀測表明，地核是由鐵及少量輕元素組成. 確定地核中輕元素的種類和含量有助于構(gòu)建早期地球形成的模型，解釋地球物理現(xiàn)象以及預測地球未來的發(fā)展[1-5]. 由于碳元素在核-幔分離條件下對液態(tài)鐵具有高親和性，并且在太陽系和C1碳質(zhì)球粒隕石中含量較高，被認為是地核中重要的輕元素之一[6, 7]. 地球內(nèi)核具有異常高的泊松比，在眾多候選輕元素(碳，氫，氧，硫和硅)中，只有鐵碳化合物的泊松比接近內(nèi)地核[8, 9]. 因此，碳可能是內(nèi)地核中主要的輕元素，甚至一些研究表明內(nèi)地核幾乎完全是由鐵碳化合物組成[9]. 通常認為內(nèi)地核中鐵碳化合物的存在形式是Fe3C和Fe7C3，目前這兩種鐵碳化合物都已得到廣泛的研究[6, 10-16]. 雖然大部分研究認為在內(nèi)地核條件下Fe7C3比Fe3C更穩(wěn)定，但在最新的研究中Takahashi等人通過實驗發(fā)現(xiàn)Fe3C在內(nèi)地核條件下可以穩(wěn)定存在[17].

約束內(nèi)地核中碳含量最直接的方法是在地核條件下測量鐵碳化合物的密度和聲速，并將其與地震波模型(如初始地球參考模型-PREM)進行比較. 在內(nèi)地核條件(330-360 GPa，5000-7000 K)下直接測量物質(zhì)的性質(zhì)仍然非常困難. 目前對Fe3C狀態(tài)方程和聲速的測量局限于相對較低的壓力和溫度條件. 實驗測量的Fe3C聲速數(shù)據(jù)即使在室溫高壓條件下也顯示出很大的差異，將這些結(jié)果外推至……