Fe-S体系高温高压状态方程与地球内核中的硫含量

详细信息    查看全文 | 下载全文 | 推荐本文 |

• 作者：张志刚张毅刚
• 会议时间：2014-10-19
• 关键词：地球内核 ; 硫含量 ; 铁硫体系 ; 高温高压状态方程
• 作者单位：中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院地球与行星物理重点实验室 100029 北京
• 母体文献：2014年中国地球科学联合学术年会论文集
• 会议名称：2014年中国地球科学联合学术年会
• 会议地点：北京
• 主办单位：中国地球物理学会
• 语种：chi
• 分类号：TB3;O72

摘要

本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对hcp-Fe, fcc-Fe, Fe3S, FeS以及FeS2等端元组分进行了大规模晶格动力学和分了动力学计算。通过与大量已有实验数据比较,我们发现:如果选择广义梯度近似(GGA)作为交换相关项,模拟结果在低压下表现出较大系统偏差,这种偏差随着硫含量增加和压力的增加而减小;加入白旋极化可以显著地提高低压下模拟结果的准确度;随着高压下各体系磁矩的消失,GGA表现出很好的预测性,在100GPa以上的压力误差在±5GPa范围内,与实验误差相当。由于硫在固态铁中的溶解度随压力升高而增大,内核条件下可能达到16at%(9.86wt%),还对Fe-S固溶体的密度进行了研究。考虑到此浓度的硫和内核温度等因素仍不能使bcc-Fe稳定,在hcp-Fe, fcc-Fe中替换若干硫原了,得到浓度分别为3.125at%, 6.25at%, 12.Sat%的Fe-S固溶体密度。发现,hcp和fcc结构的固溶体相对纯铁的密度缺失量彼此几乎完全重合,表明同处于最紧密堆积结构的两种固溶体中硫的作用不可区分;此外,固溶体的密度缺失量对温度不敏感,但随着压力升高而明显降低;随着硫含量的增加,密度缺失量线性增加,并且可以很好地外延至Fe3S相对纯铁的密度缺失。根据前人估算的内核密度缺失,如果仅把硫为内核轻元素,地球内核中的硫含量约为2.8-8.3at%(1.6-4.9wt%),与宇宙化学方法估计值相符。