外地核中二元Fe-X合金经验势模型的建立及初步应用

The composition of the Earth's outer core plays significant roles on the generation of Earth’s magnetic field, Earth's interior convection, and the origin and evolution of the Earth's core. In order to better know the Earth planet, it's a key problem to make clear the composition in the outer core. According to geophysical observations and cosmochemical constraints, it probably contains iron (Fe) and 10wt.% light elements in the outer core, but the species and fractions of light elements are in arguments. Because of the limitation in experimental measurement, on one hand, static high-pressure measurement is difficult to reach the temperature and pressure conditions of the outer core; on the other hand, dynamic high-pressure measurement has relative big error in temperature measurement. It results the lacking of systemic and highly precise experimental data. Thus, in this project, based on the previous work about the Earth's core and the development of empirical potentials, we plan to develop the fundamental theoretical method to make clear the composition in the outer core. We fit the empirical potential of binary Fe-X (X=S, O, Si) alloys to the data from first-principles molecular dynamic simulations by particle swarm optimization algorithm. Through the preliminary application of the potential, we study the effect of the fraction of light elements, temperature and pressure on the density and velocity of Fe-X alloys in order to give guidance for the experiment.

外地核物质组分对地球磁场的产生、地球内部热对流运动、地核的起源和演化等起着重要作用，确定外地核组分是人类认知地球所需要解决的一个关键问题。依据地球物理和宇宙化学研究，外地核可能含有铁（Fe）和10wt.%轻元素，但轻元素的种类及含量具有较大争议。由于目前实验技术的限制，一方面静态高压实验很难达到外地核的温压条件，另一方面动态高压实验在测量温度时具有较大偏差，导致缺乏系统而又准确的实验数据。因此，在本项目中，申请人结合前期在地核和发展经验势方面的工作，以发展基础理论方法为出发点，通过第一性原理分子动力学结构-能量数据和粒子群优化算法，建立二元Fe-X（X=S、O、Si）合金的经验势模型。通过初步应用经验势模型，研究组分、温度、压力等对二元Fe-X合金密度和声速的影响，为实验提供理论指导。

由于外地核中物质的组成及含量尚不清楚，因此确定外地核组分一直是地球科学和高压物理领域的研究重点。根据前人的研究发现，外地核主要有铁（Fe）和少量的轻元素组成。因此，在本项目中，首先采用第一性原理分子动力学方法，对Fe-S合金在外地核温压下状态参量进行研究，建立Fe-S合金的状态方程，进而计算得到Fe-S合金的密度和声速，预测如果S元素是外地核中唯一的轻元素，其含量应该在10~14wt.%之间；其次，通过准从头算法对Fe在极端条件下的自由能进行计算，进而对Fe的高温高压相图进行完善。通过该相图进一步确定了内外地核边界的温度应该在6350K附近，为颇有争议的内外地核边界温度提供理论证据；再次，通过第一性原理分子动力学计算，我们发现在内地核条件下，体心立方相的Fe原子沿着（110）方向扩散，从而解释了内地核中低粘度的机理；最后，将机器学习方法应用于发展经验势，通过人工神经网络对原子间相互作用进行描述。我们的研究对于确定内外地核边界温度、进一步推动外地核中轻元素含量的确定具有较大的理论指导意义。