地質地球所研究揭示地球內核體心立方結構不穩定

　　地球內核條件下鐵及其合金究竟具有怎樣的晶體結構?這是地球深部研究關注的關鍵問題之一，對該問題的解答將牽一發而動全身地影響到“內外核平衡溫度”、“內外核輕元素分配”、“外核物質對流機制”等一系列核心科學問題。目前人們對地球內核結構存在較大爭議：一方面，綜合已有的高溫高壓實驗和理論計算結果，一般認為高壓下密排六方結構(hcp)最穩定;而另一方面地震學觀測結果顯示，地球內核具有復雜的分層結構和各向異性，hcp結構很難合理解釋這些特征，而體心立方結構(bcc)似乎更符合觀測數據。

　　為了解決這種爭議，前人提出高溫高壓下bcc結構存在重新穩定的可能，這來自于兩方面的因素：1.高溫使得熵的作用增大，熱力學上有利于較為疏松有序的bcc結構;2.bcc結構在高壓下存在的力學不穩定問題，可由高溫下的非諧性效應、少量硫、碳、硅、氧等輕元素摻雜效應等因素有效克服。雖然這兩方面趨勢已得到大家認可，但目前對bcc結構在地球內核條件下的穩定性還沒有準確判斷。

　　中科院地質與地球物理研究所地球深部結構與過程研究室博士生崔航和張志剛副研究員、張毅剛研究員，利用基于密度泛函理論的第一性原理分子動力學模擬方法，對高溫和輕元素摻雜因素對bcc相變的影響進行了系統研究。由于bcc到面心立方結構(fcc)存在連續相變路徑，通過調節表征該相變過程的應變參數，該研究運用熱力學積分法得到相變路徑上的自由能變化，大大提高了計算結果的精確性。該研究證實高溫和輕元素確實對bcc的穩定性有一定促進作用，但不足以使該相穩定存在于地球內核中(圖1)。

　　該研究成果近期發表在國際地學期刊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)。

圖1 bcc-fcc相變路徑上的應力和自由能變化　t=1對應的是bcc結構，t=1.26(即2^1/3)對應的是fcc結構。從該圖可以看出，fcc結構始終處于整個相變路徑的能量最低點，因而bcc結構不具備熱力學和力學穩定性。