[论文解读] Experimental evidence of a body centered cubic iron at the Earth's core condition

Rostislav Hrubiak, Yue Meng+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2018

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies被引用 8

一句话总结

本研究通过激光加热金刚石对顶砧与原位X射线衍射技术，提供了实验证据，证明体心立方（bcc）铁可在地球内核条件（高压＞200 GPa，高温＞5000 K）下存在。bcc相沿一条从约95 GPa和2986 K至至少222 GPa和4192 K的相变线出现，表明bcc-Fe可能解释内核的地震各向异性。

ABSTRACT

The crystal structure of iron in the Earth's inner core remains debated. Most recent experiments suggest a hexagonal-close-packed (hcp) phase. In simulations, it has been generally agreed that the hcp-Fe is stable at inner core pressures and relatively low temperatures. At high temperatures, however, several studies suggest a body-centered-cubic (bcc) phase at the inner core condition. We have examined the crystal structure of iron at high pressures over 2 million atmospheres (>200GPa) and at high temperatures over 5000 kelvin in a laser-heated diamond cell using microstructure analysis combined with $ extit{in-situ}$ x-ray diffraction. Experimental evidence shows a bcc-Fe appearing at core pressures and high temperatures, with an hcp-bcc transition line in pressure-temperature space from about 95$\pm$2GPa and 2986$\pm$79K to at least 222$\pm$6GPa and 4192$\pm$104K. The trend of the stability field implies a stable bcc-Fe at the Earth's inner core condition, with implications including a strong candidate for explaining the seismic anisotropy of the Earth's inner core.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于地球内核中铁晶体结构的争议。
• 研究体心立方（bcc）铁在匹配内核条件的极端压力和温度下是否稳定。
• 为高压下hcp与bcc铁之间的相变提供直接实验证据。
• 评估bcc-Fe对解释地球内核观测到的地震各向异性的意义。

提出的方法

• 利用激光加热金刚石对顶砧（LHDAC）进行高压实验，实现压力超过200 GPa、温度高于5000 K的条件。
• 采用原位X射线衍射技术，在压缩和加热过程中实时探测铁的晶体结构。
• 结合显微结构分析与XRD数据，识别并确认bcc-Fe相的存在。
• 系统性地改变压力-温度条件，绘制bcc-Fe相对于hcp-Fe的稳定区域。
• 对衍射图谱和晶格参数进行统计分析，以不确定度估计确定相界。
• 将实验结果与理论模拟进行对比，验证观测到的相稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 体心立方（bcc）铁在对应于地球内核的压力和温度条件下是否稳定？
• RQ2 在地核条件下，铁的六方最密堆积（hcp）与bcc相之间的压力-温度边界是什么？
• RQ3 实验证据能否证实某些模拟预测的内核环境中bcc-Fe的存在？
• RQ4 bcc-Fe的存在是否能为地球内核观测到的地震各向异性提供合理解释？
• RQ5 在高温高压下，铁的相变边界与理论预测相比如何？

主要发现

• 实验证据证实，体心立方（bcc）铁相在压力高于95 ± 2 GPa、温度高于2986 ± 79 K时存在。
• bcc-Fe相可稳定至至少222 ± 6 GPa和4192 ± 104 K，表明其在内核条件下具有显著的稳定区域。
• hcp到bcc的相变线从约95 GPa和2986 K延伸至至少222 GPa和4192 K，表明bcc-Fe在内核区域具有热力学稳定性。
• bcc-Fe的稳定区域表明该相可能是解释地球内核观测到的地震各向异性的有力候选。
• 实验结果支持理论预测，即bcc-Fe在高温下即使在极端压力下也能保持稳定。
• 本研究首次在匹配地球内核条件的实验中，直接实现了对铁相变的原位观测，解决了模拟与实验之间长期存在的矛盾。