地核中氧元素含量及其存在形式的理论研究

The determination of the composition and crystal morphology of the inner core materials plays an important role in solving geosciences problems, such as the geomagnetic field. The research on this problem has become a hot topic. However, there is still a huge controversy on the content of light elements. The crystal morphology and mechanism of light elements in Earth’s core still are an open question. Aiming at this problem, we focus on the existence of the light element of candidate O in the inner core. We apply first-principles calculations combining with self-consistent ab initio lattice dynamics (SCAILD) method to ordered Fe-O alloys, whose oxygen content is less than 10%. The influence of anharmonic effect on the stabilities of different crystal structures is fully considered. We explore how different oxygen content affects the physical parameters of Fe-O alloys. The oxygen content in the earth core is restricted by comparing the density and sound velocity of Fe-O alloys of different oxygen content with the seismology data. The stable structures of Fe-O alloys at the earth core environment are also studied by the phonon spectra at high temperature and dynamically stable conditions. This research can provide new information and research technique for the study of the composition and crystal morphology of the inner core materials, and provide theoretical support for the formation of the geomagnetic field.

地核的物质组成及结晶形态对地磁场的形成等问题的解决有重要意义，是地球深部物质研究领域的热点；但目前对地核中轻元素含量的研究仍存在较大争议，对铁-轻元素体系的结晶形态及其相互作用机理仍不明确。针对该问题，本项目重点考虑候选轻元素氧在地核中的存在，以几种含氧量低于10%的铁氧有序合金为研究对象，采用第一性原理结合自洽晶格动力学方法，充分考虑高温非谐效应对晶体结构稳定性的影响，揭示高温高压下氧含量对铁氧合金物理性质的影响规律；通过不同氧含量铁氧合金的密度、声速数据与地震学数据对比，限定地核中不同位置的氧含量；针对限定后的铁氧合金，结合高温声子谱和动力学稳定性条件，确定其在内、外地核环境下的存在形式。通过本项目的研究，为地核的物质组成及其结晶形态研究提供参考，为地磁场的形成提供理论依据。

地核中轻元素含量及其状态研究是地球深部物质研究领域的热点，对地磁场的形成等地学问题的解决有重要意义。本项目以铁和轻元素二元体系为研究对象，采用第一性原理结合自洽晶格动力学方法，充分考虑高温非谐效应对晶体结构稳定性的影响，对地球深部组成物质及其状态展开研究得到了一些新的认识：.（1）从理论上预测了上地幔温度和压力范围内可能存在稳定的具有PNNM对称性的新的FeO2结构，其可能在高温下转变为黄铁矿型结构，最后在接近地壳环境下分解为Fe2O3并释放氧气；.（2）从理论上预测了多种铁硅二元合金高温高压相图，并发现FeSi直到地核压力和温度范围内都是最稳定的铁硅二元合金，然后分析了FeSi从B20相向B2相转变的相变机理及最小反应路径，发现并非压强而是温度可能是这个相变最重要的相变驱动力；.（3）基于能量最低原理，发现轻元素含量低于10%的铁和轻元素组成的二元合金体系在地球深部环境下的最稳定结构为六角密排结构；.（4）通过对轻元素含量低于10%的铁和轻元素组成的二元合金体系在地球深部环境下的密度、声速以及各向异性等物理性质进行模拟并和PREM模型进行详细比较，发现仅用二元合金无法充分解释地震学数据，并且只有轻元素S的加入能显著提高合金纵波声速的各向异性强度，因此仅依靠二元合金无法对地核中轻元素的含量进行有效限定；.（5）在仅考虑二元合金的情况下，通过和PREM模型的声速和密度数据进行详细对比，发现内地核环境下氧含量应不超过2.97wt.%。. 这些研究为更深入开展地核的物质组成、状态和性质问题研究提供了有效的理论计算方法，相关研究结果为该问题的最终解决提供了有效数据积累。