地球内核压力下的Fe-C和Fe-H系统
材料科学
2015-06-05 v1
摘要
地球的固态内核主要由铁以及百分之几的镍和一些较轻元素（Si、S、O、H和C是主要候选元素）的合金组成。越来越多的论文研究C和H作为内核中可能的轻元素，但结果相互矛盾。本文利用第一性原理模拟，研究了内核压力（330-364 GPa）下的Fe-C和Fe-H系统。使用进化结构预测算法USPEX，我们确定了可能的碳化物（FeC、Fe2C、Fe3C、Fe4C、FeC2、FeC3、FeC4和Fe7C3）和氢化物（Fe4H、Fe3H、Fe2H、FeH、FeH2、FeH3、FeH4）的最低焓结构，并发现Fe2C（Pnma）是内核压力下最稳定的碳化铁，而FeH、FeH3和FeH4是这些条件下稳定的氢化铁。对于Fe3C，渗碳体结构（Pnma）和最近通过随机采样发现的Cmcm结构不如本文发现的I-4和C2/m结构稳定。我们发现FeH3和FeH4采用化学上有趣的热力学稳定结构，这两种化合物都含有三价铁。在相关压力和温度下，内核的密度可以与合理的碳浓度（11-15 mol.%，即2.6-3.7 wt.%）相匹配。该浓度与CI碳质球粒陨石中的浓度一致，对应的平均原子质量范围为49.3-51.0，与根据Birch定律对内核的推断非常吻合。类似地，对最大氢含量的估计高得不切实际，为17-22 mol.%（0.4-0.5 wt.%），对应的平均原子质量范围为43.8-46.5。我们得出结论，碳是比氢更好的轻合金元素候选。
引用
@article{arxiv.1206.0467,
title = {Fe-C and Fe-H systems at pressures of the Earth's inner core},
author = {Zulfiya G. Bazhanova and Artem R. Oganov and Omar Gianola},
journal= {arXiv preprint arXiv:1206.0467},
year = {2015}
}
备注
Published in Physics-Uspekhi: full text will soon appear at http://ufn.ru/en/articles/2012/5/c/ (currently, only abstract is available)