《外地核组分与状态研究》

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该项目属于地球科学领域.地球是一个复杂的高温高压体系,发生在地球表面的地震、火山等自然灾害都与地核的组分和运动状态密切相关。地核物质组成与运动状态研究是地球物理、地球化学和地球动力学研究领域中的一个重大问题。综合地球物理、地球化学、以及高温高压实验研究,外地核主要成分是铁和少量轻元素。但有关轻元素的种类和含量仍是一个谜。通过高温高压实验技术对外地核候选物质的物性进行了系统研究,项目取得了以下重要科学发现:

(1)外地核温度剖面的限定内外地核界面的温度为地核物质的熔化温度,是锚定地球温度剖面的重要参考点。通过动高压实验对Fe-S、Fe-O-S高压溶化行为进行了研究,提出了计算平衡溶化温度的新的物理模型,发现O和S元素对Fe的熔化温度的影响是不同的,提出地球内外核边界温度为~5400K。

(2)液态Fe-S、Fe-O-S状态方程、声速研究外核是液态的,高温高压下液态地核候选物质的状态方程和声速测量尤为重要。但受实验条件的限制,鲜有这方面的报道。通过动高压实验研究了液态Fe-S、Fe-O-S状态方程和声速,发现高温高压下液态Fe、FeS、FeO的体积满足理想混合;等量的O对Fe的声速的影响更大于S元素。

(3)外地核中轻元素的种类和含量基于实验结果,提出新的理论模型模拟高温高压下的密度和声速。相比于富O的Fe-O-S体系的密度和声速,富S的Fe-O-S体系的密度和声速与外地核的数据更匹配。结合地球化学研究,外地核中O的含量不超过2.5wt%,S和Si的含量为2wt%和6wt%。首次从实验上证明了外地核是贫氧的。这说明早期的地球吸积过程是在还原条件下完成的。

上述研究相关成果发表在《Nature》、《Journal of Geophysical Research》、《Geophysical Research Letter》等国际知名期刊上,受到了国际同行专家的高度评价。国际著名地球物理学家Thomas S.Duffy在《Nature》上撰写了推介文章,认为这一原创性成果,将解决60年来关于外地核中化学成分的争论。《Science News》、《Science Daily》等国际知名网站也报道了该项研究成果。该成果显著提升了中国科学家在地球深部研究领域的国际学术地位。

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