地核中的碳及其对深部碳循环的启示

摘要

作为地球内部的发动机,地核主要由铁与一定含量的镍和轻元素组成,这些轻元素包括硅、碳、氧、硫和氢等.地核约占地球质量的三分之一,可能是这些轻元素的重要储库,因此,研究地核的组成对地球深部元素分配和演化等科学问题的理解具有重要的意义.最新实验数据表明,在铁中加入碳可以部分解释内核的S波速度异常及其各向异性.地核温压条件下,含有铁与少量碳的流体冷却时析出的第一种固相可能是铁碳化合物Fe7C3,因而Fe7C3被优先认定为富碳内核的主要组分.而且最近研究显示Fe7C3的密度在地核相应条件下跟观测到的内核密度吻合.在这项研究中,结合高压和同步辐射技术测量了Fe7C3在地核压力条件下的波速,结果显示此铁碳化合物在经历了发生于大约50GPa条件下,由压力导致的铁的高自旋态到低自旋态的转变过程后,其波速随着密度升高的速率变得异常低.将实验数据外推到内核压力条件,发现低自旋态Fe7C3为主的内核组成模型能够产生与观测一致的S波速度.富碳的内核模型使地核成为地球内部最大的碳储库,从而影响到碳在整个地球深部各种地质过程中的演化与循环.