Shear softening of Earth's inner core indicated by its high Poisson's ratio and elastic anisotropy
地球的内核表现出异常高的泊松比和明显的弹性各向异性。造成这些特征的机制对于理解地球的演化至关重要，但仍不清楚。这项研究表明，一旦使用正确的剪切模量公式，剪切软化可以同时解释高泊松比和强各向异性的内核。体心立方（bcc）铁在内核中发现的压力下显示出剪切不稳定性，并且可以通过温度和轻元素动态稳定。轻元素的某些组合很可能使体心立方铁合金在内核条件下稳定。这种体心立方相将表现出显著的剪切软化，并与内核的地球物理约束相匹配。确定哪些轻元素以及这些元素的浓度使体心立方相稳定，将提供关于内核轻元素的关键信息。
2016-11-01 physics.geo-ph
Heat-blanketed convection and its implications for the continental lithosphere
地球各大洲的特点是长寿命放射性同位素高度富集。最近的估计表明，它们贡献了地球表面释放的33%的热量，而只占地幔的不到1%。这种独特的特征通过影响下伏地幔的热结构和热量传送而对下伏地幔产生深刻的影响。然而，富含生热元素的陆壳对下伏地幔的影响尚未得到系统的研究。在这里，我们进行了初步的调查，通过考虑一个简化的对流系统组成的混合加热的流体中，所有的内部加热集中在顶层的厚度$d_{HL}$（称为“热覆盖对流”）。我们进行24个数值模拟在三维笛卡尔几何四个特定的设置和各种值的$d_{HL}$。我们的研究结果表明，加热层的影响强烈地依赖于它的厚度相对于均匀加热情况下（$d_{HL} = 1.0$）的热边界层（$δ_{TBL}$）的厚度。更具体地说，对于$d_{HL} > δ_{TBL}$，由加热层引起的影响是相当适度的，而对于$d_{HL} < δ_{TBL}$，对流系统的性质随着$d_{HL}$的减小而强烈改变。特别是，表面热通量和对流活力显着增强非常薄的加热层相比，情况$d_{HL} = 1.0$。生热元素的垂直分布可能对地幔动力学起关键作用。然而，对于地球来说，大陆的存在应该不会显著影响表面热通量，从而影响地球的冷却速率。
2020-11-23 physics.geo-ph
Thermal and compositional stratification of the inner core
对内核地震结构的认识的提高以及由此揭示的复杂性要求动力学起源。亚固相线对流是解释地震各向异性的早期建议之一，但它需要一个不稳定的密度梯度，无论是从热或成分的起源，或两者兼而有之。在内核的温度和成分分布计算使用一维模型的核心演变，包括扩散在内核和分数结晶在内核边界（ICB）。核心的热导系数最近已向上修正，而且，发现随着深度增加。穿过核幔边界（CMB）的热流值足以维持整个外核的对流，但不足以使内核的温度超等熵，因此易于发生热不稳定。为此，需要不合理的高CMB热流。成分分层是由于外核轻元素浓度的增加与内核生长的竞争导致的，这使得内核浓度也增加，以及液相线的降低导致分配系数降低以及轻元素在固体中的浓度降低。虽然后一种（不稳定）效应在小的内核尺寸下占主导地位，但前者在大的内核中占主导地位。在S的情况下，内核的翻转点约为当前大小的一半，但在O的情况下，翻转点要大得多。热浮力和成分浮力的结合是稳定的，内核中的固态对流似乎不太可能，除非早期的双扩散不稳定可以设置。
2014-08-08 physics.geo-ph
Oxygen-driven enhancement of electron correlation in hexagonal iron at Earth's inner core conditions
本文通过DFT+DMFT计算证明氧原子能稳定地球内核条件下六方结构铁，其电阻率增强支持热对流模型，且地震波速度与PREM数据定量吻合。
2021-11-22 physics.geo-ph
Uniqueness of Herndon's Georeactor: Energy Source and Production Mechanism for Earth's Magnetic Field
赫恩登位于地球中心的地质反应堆不会发生熔毁，但最近发布的仿制地质反应堆却并非如此，这些反应堆必然会受到热核燃料、普遍高温环境和高围压的影响。赫恩登的地质反应器有望通过在产热和锕系元素沉淀之间建立平衡来实现自我调节。70年前的地球流体核心对流的观点被推翻了，因为热膨胀不能克服核心底部比顶部高23%的密度。无量纲的瑞利数是一个不适当的指标对流在地球的核心和地幔作为一个假设的结果，它是派生。简要地描述了地磁场起源、地幔对流的物理不可能性以及伴随而来的对板块构造理论的反驳。
2009-07-03 physics.gen-ph physics.geo-ph
Gravitational energy released when Earth quakes: Heat supply for island-arc volcanism
College of Geodesy and Geomatics, Shandong University of Science and Technology（山东科技大学测绘学院）；Institute of Earth Sciences, Academia Sinica（中央研究院地球科学研究所）
该研究提出第一性原理模型，揭示俯冲带逆冲地震释放约10太瓦引力能并转化为热，为岛弧火山作用提供充足热量，解决板块构造热源悖论，强调地震活动在板块能量学中的积极作用。
2026-09-16 physics.geo-ph
The fate of liquids trapped during the Earth's inner core growth
内核的生长历史与地球的热历史有着内在的联系。内核的结晶可能由于过冷而被延迟，并且在通过成核屏障之后经历了快速生长的初始阶段，但是到目前为止，还没有证据或约束来提出这种可能事件的时间。利用两相流动力学，我们探讨了不同的增长方案的内核的效果，以确定其对液体部分结构的影响。目前对内核内熔体部分的地震观测将孔隙度限制在最大10%的液体。我们的模型提供了限制成核的延迟相比，第一个晶体可能已经开始成核的时间，我们发现，过冷不能超过100 K。
2019-12-27 physics.geo-ph
Thermal convection in a spherical shell with melting/freezing at either or both of its boundaries
在许多地球物理学或行星学的环境中（地球的内核，从岩浆海洋结晶的硅酸盐地幔，或围绕深水海洋的冰壳），对流结晶层与其熔体层接触。允许在固体层的一个或两个边界处熔化/冻结可能会影响层中的对流模式。在这里，我们研究的发病热对流在一个粘性球壳动态诱导熔化/冻结在其边界之一或两者。结果表明，每个界面的行为取决于维数P的值，这是一个熔融/冻结的时间尺度的粘性松弛时间尺度的比率。较小的P值对应于渗透性边界条件，而较大的P值对应于非渗透性边界条件。线性稳定性分析预测的半渗透边界的显着效果时，任何一个边界的特征数量P是足够小的：允许融化/冻结在任何一个边界的结果在出现较大规模的对流模式。当外边界是可渗透的时，效果特别剧烈，因为即使在薄球壳的情况下，1度模式仍然是最不稳定的。在具有可渗透的内边界和外边界的球壳的情况下，最不稳定的模式包括固体壳的整体平移，没有变形。在具有可渗透外边界的完整球体的极限中，这对应于最近为地球内核提出的“对流平移”模式。作为可能的应用的一个例子，我们讨论的情况下，热对流在土卫二的冰壳假设存在一个全球性的地下海洋，并发现，融化/冻结可能有一个重要的影响对流模式的冰壳。
2013-03-19 physics.geo-ph
Thermal and electrical conductivity of iron at Earth's core conditions
地球就像一个巨大的热机，由放射性同位素的衰变和缓慢的冷却驱动，从而引起板块构造、火山和造山运动。另一个关键产物是地磁场，它是由一台发电机在液态铁核中产生的，发电机靠冷却和冻结释放的热量来生长固态内核，并靠冻结时从液体中排出的轻元素产生的化学对流来运转。提供给地球发电机的能量，通过核幔边界（CMB）的热通量来测量，对地球的演化产生了限制。宇宙微波背景辐射热通量的估计取决于堆芯中铁混合物在极端压力和温度条件下的性质，最关键的是导热率和电导率。由于实验和理论上的固有困难，这些量仍然知之甚少。在这里，我们使用密度泛函理论计算这些电导率在液态铁混合物在核心条件下的第一原理-第一个直接计算的值，不依赖于估计的基础上推断。Fe、O、S和Si的混合物取自早期的工作，并符合地震学确定的核心密度和内核边界密度跳跃。我们发现这两种电导率都比目前使用的估计值高2-3倍。这些变化是如此之大，以至于必须重新评估堆芯的热历史和功率需求。新的绝热热通量估计值在CMB处为15-16 TW，高于目前基于地幔对流对CMB热通量的估计值;地核顶部必须是热分层的，上部地核中的任何对流都是由化学对流驱动的，以对抗CMB热流中不利的热浮力或横向变化。地球发电机的能量受到很大的限制，未来的地幔演化模型必须包含高CMB热通量，并解释最近形成的内核。
2012-03-22 physics.geo-ph
Inner core static tilt inferred from intradecadal oscillation in the Earth's rotation
本研究利用日长变化中与ICW相位一致的约8.5年振荡，推断内核相对地幔存在0.17°静态倾斜，并估算内核边界密度跃变为0.52 g/cm³。
2023-12-09 physics.geo-ph
Understanding the two-step nucleation of iron at Earth's inner core conditions: a comparative molecular dynamics study
本研究利用两种原子间势的分子动力学模拟，发现在地球内核条件下铁的亚稳态bcc相成核率显著高于hcp相，从而大幅降低成核过冷阈值，验证了铁两步成核机制的普遍性。
2025-03-20 physics.geo-ph
Regimes of rotating convection in an experimental model of the Earth's tangent cylinder
School of Engineering, University of Liverpool（利物浦大学工程学院）；Centre for Fluid and Complex systems, Coventry University（考文垂大学流体与复杂系统中心）
研究通过实验模型探讨地磁场对地核极地区域流体运动的影响，发现外部切线圆柱外的热力不稳定性驱动地转湍流形成，揭示了外部对流控制内部湍流的机制。
2026-06-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
The axial ratio of hcp iron at the conditions of the Earth's inner core
我们提出了从头计算的高温轴向c/a比的六方密堆积（hcp）铁在地球的核心压力，以帮助解释所观察到的地震各向异性的内核。计算是基于密度泛函理论，这是众所周知的预测高压铁的性能具有良好的准确性。c/a的温度依赖性是通过在固定体积和温度下最小化亥姆霍兹自由能来确定的，其中由于晶格振动使用谐波理论计算的热贡献。非谐修正的谐波预测估计从计算的热平均应力从从头算分子动力学模拟六方晶系铁在内核的条件。我们发现轴比随温度的增加而逐渐增加。这种增加比早期计算中发现的要小得多，但与最近的高压，高温衍射测量结果合理一致。这一结果对早期对内核地震各向异性的解释提出了质疑。
2004-09-21 physics.geo-ph
Melting-induced stratification above the Earth's inner core due to convective translation
除了全球南北各向异性（1），还有两个与地球内核有关的神秘的地震学观测结果：东半球和西半球之间的不对称（2-6）以及在外核底部存在一层地震速度降低的层（6-12）。这个250公里厚的层被解释为轻元素（13）中成分减少的稳定分层区域。在这里，我们表明，这层可以产生同时结晶和熔化的表面上的内核，并在内核中的热对流的平移模式可以产生足够的熔化和结晶，分别在每个半球上的致密层的发展。我们提出的动力学模型引入了一个明显的不对称之间的熔化和结晶半球，形成的基础上，也解释了东西不对称。目前的平移速度被发现是典型的1亿年的内核完全更新，这是一个到两个数量级的增长速度比内核的半径。轻元素造成的浮力通量的强烈不对称性预计将对外核的动力学和地球发电机产生影响。
2012-01-05 physics.geo-ph
Geophysical implications of a decentered inner core
在第一近似中，地球内部具有球对称的各向同性结构。在过去的几十年里，地球物理观测揭示了在不同的空间尺度上，这种基本结构存在多种扰动。本文讨论了当内核偏离地球的质心时，这种基本结构所引起的半球扰动。利用数值模拟观测到的半球不对称的地震波通过上部内核，更快的到达时间和更高的衰减在东半球，我们估计，目前的位置的内核从地球中心向东移动了几十公里，在赤道平面。如果作用在内核上的力只有重力，那么它的平衡位置将在地球的中心，估计的位移将是不可能的。我们推测，由于与外核内部的流动和磁场的相互作用，内核处于永久的混沌运动。为了支持这一假设，我们分析了十多个不同的地球物理现象一致的内核运动占主导地位的时间尺度从几百年到几千年。
2014-02-26 physics.geo-ph
Fe alloy slurry and a compacting cumulate pile across Earth's inner-core boundary
地震观测表明，相对于初步参考地球模型，外核底部的压缩波梯度降低，内核顶部东西半球之间的地震波不对称。在这里，我们提出了一个模型的内核边界（ICB），其中浆层形成通过分离结晶的Fe合金的基础上的外核（F层）的顶部的内核（F'层）的压实累积桩。利用最近的矿物物理数据，我们表明，铁合金的分步结晶（例如，Fe-Si-O）与轻元素分配可以解释在F层中观察到的降低的速度梯度，在液体中固体分数为~15（5）%的情况下，由于优先轻元素分配到液体中而具有组成梯度。由于外核内大尺度热流的横向变化，F'层的压实堆积体在东西半球之间可能表现出厚度的横向变化，这可以解释地震速度的东西不对称性。我们的解释表明，固体铁合金的内核具有约10^23 Pa·s的高剪切粘度。
2019-04-08 physics.geo-ph
Fluid Dynamics of Earth's core: geodynamo, inner core dynamics, core formation
本章是从2018年4月在乌迪内举行的三场1.5小时的讲座中构建的，内容涉及地球核心动力学的各个方面。本章以一个关于地球磁场和地核发现的简短历史记录开始（第1节）。然后，我们转向磁流体力学的介绍（第2节），介绍和讨论感应方程和洛伦兹力的形式和影响。第三节介绍了地球磁场的球谐函数描述，并说明了球谐函数描述如何用于证明地磁场的内部起源。然后，我们将介绍地球发电机的对流驱动模型（第4节），讨论我们目前对地核动力学的理解，详细地获得自然旋转对流的临界瑞利数的Ekman依赖性，并介绍用于模拟对流驱动发电机的方程和无量纲参数。下一节讨论地球发电机的能量学（第5节）。最后两个部分涉及内核的动力学，重点是磁场的影响（第6节），并与核心的形成（第7节）。由于本章的范围很广，时间有限，对地球核心动力学的介绍决不是全面的。有关更多信息，感兴趣的读者可以参考Jones（2011），Olson（2013）或Christensen和Wicht（2015）关于地磁场和地球发电机，Sumita和Bergman（2015），Deguen（2012）以及Lasbleis和Deguen（2015）关于内核的动力学，以及Rubie等人（2015）关于核心形成。
2019-05-24 physics.geo-ph
Strong field dynamo action in rapidly rotating convection with no inertia
地球的磁场是由外核中的对流驱动的发电机作用产生的。由于数值上的原因，惯性力和粘性力在地球发电机模型中起着重要的作用;然而，据信地球核心的主要动力平衡是浮力、科里奥利力和磁力之间的平衡。人们希望通过将埃克曼数设置为计算上可行的尽可能小，可以达到一个渐近状态，在该状态下可以实现正确的力平衡。然而，最近对地球发电机模型的分析表明，理想的平衡尚未实现。在这里，我们采用了一种补充的方法，包括一个模型的快速旋转对流，其中惯性力从一开始就被忽略。在这个框架内，我们能够构建一个新的分支的解决方案，其中发电机产生一个强大的磁场，满足预期的力的平衡。由此产生的强磁化对流是显着不同的相应的解决方案，在该领域是弱的。
2016-06-04 astro-ph.EP physics.geo-ph
Inner core heterogeneity induced by a large variation in lower mantle heat flux
本文采用热对流近临界、成分对流强超临界的双组分对流发电机模型，证明CMB处O(10)的热通量变化可形成内核东西半球非均质性，并解释P波速度、磁通量变化及F层厚度等观测。
2024-08-03 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Turbulence in Earth's core generates large topographic torques on the mantle
本文通过带边界地形的旋转球壳对流数值模拟和渐近理论，证明地核湍流产生的地形扭矩足以解释观测到的日长变化。
2025-06-09 physics.geo-ph
Can a convecting magma ocean offer a solution to the puzzling case of core convection in early earth?
针对早期地球磁场存在时间与内核年龄不匹配的谜题，通过数值模拟探究地幔底部岩浆洋与稳定地核的耦合对流，发现岩浆洋可驱动地核产生强度相当的流动，或能解释内核形成前的早期发电机效应。
2025-07-30 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Strong field, scale separated, ultra low viscosity dynamos
地球磁场产生的机制被认为是金属液态铁核中的热对流。计算上的考虑以前限制了大多数数值模拟的制度，其中的扩散系数的动量和电流是大致相等的，导致类似的频谱的速度和磁场。在这里，我们提出了一套自洽球壳计算超低粘度的结果。我们的模型中最像地球的模型（S4）在上述扩散率方面有20倍的差异，导致磁场和速度场之间的显著尺度分离，后者由小尺度主导。这对主导力平衡有影响，主导力平衡在大尺度下可能是磁致旋的（洛伦兹力起主要作用），而小尺度则需要不同的平衡。这就是所谓的强场极限。在边界层外，粘性力的大小约为洛伦兹力的千分之一。在这个发电机中，耗散几乎完全是欧姆的，就像在地球中一样，所谓的切向圆柱体内的对流起着至关重要的作用。我们最极端的发电机具有比动能大得多的磁能（如地球）。我们的模型表明，在地球的核心欧姆耗散高达10太瓦。
2017-01-16 physics.geo-ph
Ohmic and viscous damping of inner core translational oscillations
CNES - Centre National d'Etudes Spatiales（法国国家空间研究中心）；Univ. Grenoble Alpes, Univ. Savoie Mont Blanc, CNRS, IRD, Univ. Gustave Eiffel, ISTerre（格勒诺布尔阿尔卑斯大学、萨瓦-蒙布朗大学、法国国家科学研究中心、法国地球科学研究所、古斯塔夫·埃菲尔大学、ISTerre地球科学研究所）
研究通过模拟量化了地核外流体层的粘性与欧姆阻尼，发现欧姆阻尼主导，地核振荡衰减时间在数年至16年之间，表明Slichter模态可能持续数年。
2026-04-23 physics.geo-ph
Initiation of Plate Tectonics from Post-Magma Ocean Thermo-Chemical Convection
地球上板块构造存在的主要理论通常呼吁当今条件在促进岩石圈流变弱化中的作用。然而，早期地球的条件是否有利于板块构造或任何形式的俯冲尚不清楚，因此俯冲是如何开始的也不清楚。使用基于颗粒损伤的物理模型，一种能够产生板状地幔对流的颗粒反馈机制，我们证明了俯冲作用在冥古宙地球上是可能的（以下称为原俯冲或原板块构造），原俯冲作用不同于现代板块构造，并且它可以迅速启动。对流与颗粒损伤的标度律表明，虽然无论是更高的地幔温度或更高的地面温度导致较慢的板块，原俯冲，与$\approx 1.75$厘米/年的板块速度，仍然可以保持在冥古宙，即使与CO $_2$丰富的原始大气。此外，当地幔位温较高时（如高于$\approx 2000$ K），俯冲模式转变为“缓慢俯冲”模式，俯冲带呈水滴状，板块边界呈扩散状。最后，岩浆后的海洋地幔对流的数值模型表明，原板块构造可能启动内$\sim100$万年的岩浆海洋凝固，与证据相一致的冥古宙锆石。原始俯冲开始后，非板块构造的“缓慢俯冲”占主导地位，让位于现代风格的板块构造，因为地幔内部和气候凉爽。冥古宙的原始俯冲作用可能会加速现代板块构造的开始，因为它会将大气中多余的CO $_2$抽出，使气候变冷。
2014-10-28 astro-ph.EP physics.geo-ph
Ab initio superionic-liquid phase diagram of Fe1-xOx under Earth's inner core conditions
Xiamen University（厦门大学）；Iowa State University（爱荷华州立大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）
本文通过从头计算方法，在地球内核条件下构建了Fe₁₋ₓOₓ的超离子-液态相图，揭示了氧在不同铁相中形成超离子态的影响及稳定性区域。
2025-12-04 physics.geo-ph
Radial gradient of superionic hydrogen in Earth's inner core
Xiamen University（厦门大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）
通过第一性原理计算Fe-H体系的吉布斯自由能，构建超离子-液相相图，发现固液分配主要由相对铁熔点的约化温度控制，并揭示内核中氢的径向梯度。
2026-07-01 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Two-step nucleation of the Earth's inner core
长期以来，人们一直认为地球的固体内核是在熔融铁冷却到熔点时开始生长的。然而，作为结晶的必要步骤的成核机制尚未得到很好的理解。最近的研究发现，它需要一个不切实际的过冷度来形成铁的稳定的六方密堆积（hcp）相，这在实际的地核条件下永远无法达到。这种矛盾导致了内核成核悖论[1]。在这里，使用持续胚胎方法和分子动力学模拟，我们证明了铁的亚稳态体心立方（bcc）相具有更高的成核速率比hcp相内核条件下。因此，体心立方形核可能是内核形成的第一步，而不是六方晶系相的直接形核。这一机制降低了铁形核所需的过冷度，为解决内核形核悖论提供了一个关键因素。内核的两步成核方案也为理解当前内核的结构和各向异性开辟了新的途径。
2022-01-08 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Formulation of a Triaxial Three-Layered Earth Rotation: I. Theory and Rotational Normal Mode Solutions
本文建立了一个三轴三层滞弹性地球自转理论，该理论考虑了各种核-幔耦合，包括外核-幔作用于内核的压力和重力耦合，外核-幔耦合以及外核-内核耦合。在此基础上，我们给出了四种转动正交模的数值解，包括Chandler摆动（CW）、自由核章动（FCN）、自由内核章动（FICN）和内核摆动（ICW）。三轴性导致CW和ICW的周期分别增加了约0.01和0.35个平均太阳日（d）。地幔滞弹性和海潮耗散是造成CW的主要原因，而对FCN的贡献很小，而粘电磁耦合耗散则是造成FCN、FICN和ICW的主要原因。通过研究不同类型的耦合，我们发现，压力耦合起着主导作用，而粘电磁或引力耦合单独或一起引起逆行FICN。另一方面，在不同的核-幔耦合条件下，ICW周期在130 d到21 a之间变化很大。
2019-01-29 physics.geo-ph
Geoneutrinos and the Earth inner parts structure
讨论了地中微子登记与地球理论检验之间的联系。比较了标准的岩石圈板块理论和氢化物地球假说。最后一个假设增加了额外的中微子源$-$行星核心，其中初始地球成分是保守的。大体积闪烁探测器应该安装在高加索的巴克桑中微子天文台INR RAS。探测器将记录所有可能的中微子通量，但主要是地球中微子。因此，放置在地球表面许多地点的探测器（或探测器网）可以测量来自$^{238}$ U和$^{232}$ Th的所有放射性，因为它们的中微子能量超过了逆β衰变反应的阈值。通过这种方法，有可能了解除了地壳和地幔之外，地球上是否还有更多的中微子源。
2010-07-15 hep-ph physics.geo-ph
Quantifying the effects of nickel on Earth's inner-core nucleation
Xiamen University（厦门大学）
本研究通过原子级模拟量化镍对地球内地核成核的影响，发现Fe80Ni20中bcc相成核在约250K过冷度下即可发生，镍富集、bcc相成核及化学异质性可缩小内地核成核悖论。
2026-08-28 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Mercury, Moon, Mars: Surface expressions of mantle convection and interior evolution of stagnant-lid bodies
相对于地球而言，滞盖体内部的演化更容易建模和预测，因为没有与板块构造物理学相关的大的不确定性，其开始时间和地球历史的效率。然而，对这些天体的观测记录相对于地球来说既稀少又稀疏。它仅限于数量有限的样本和对数十亿年之久的表面进行的各种遥感测量，这些表面的实际年龄难以精确确定。因此，将这些观测结果结合成行星内部热和对流演化的连贯图像是一项重大挑战。在这一章中，我们审查的关键过程和（主要是地球物理）观测的限制，可以用来推断全球的地幔对流和热演化的内部的水星，月球和火星，三个主要的地球机构，其中一个停滞的盖子可能存在于整个历史的大部分。
2019-12-11 astro-ph.EP physics.geo-ph
Order-Disorder in Fe-Si Alloys: Implications for Seismic and Transport Properties of Earth's Inner Core
Carnegie Institution for Science（卡内基科学研究所）
铁硅合金在高压高温下呈现序-无序现象，其结构和输运性质影响地球内核的地震各向异性与热演化。
2026-10-23 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
On the existence and structure of a mush at the inner core boundary of the Earth
大约20年前就有人提出，靠近内核边界（ICB）的液体是过冷的，并且在内核的生长过程中形成了相当大的糊状层。液-固界面的形态不稳定性通常会导致糊状区的形成，这在冶金学中已经得到了深入的研究，但是内核的冻结发生在非常不寻常的条件下：生长速率非常小，压力梯度起着关键作用，新形成的固体比邻近的液体更热。我们调查的线性稳定性的凝固前在这样的条件下，指出不稳定的热场和溶质场的作用，和压力梯度的稳定作用。非常小的凝固速率的主要后果是溶质在液体中的平流输送的重要性，这往往会从ICB附近去除轻溶质，并抑制过冷，从而对凝固前沿的不稳定性起作用。对于核混合物的合理相图，我们发现ICB可能是形态不稳定的，并且在ICB处可能已经形成糊状区。根据核心混合物的相图，所得糊状区的热力学厚度可以是显著的，从$\sim100$ km到整个内核半径。然而，预计这样厚的糊状区会在其自身重量的作用下坍塌，其长度尺度要小得多（$\lesssim 1$ km）。我们估计枝晶间距可能小于几十米，甚至可能只有几米。
2008-01-18 physics.geo-ph
Ab initio melting temperatures of bcc and hcp iron under the Earth's inner core condition
关于地球内核条件下铁的稳定相存在着长期的争论。由于内核边界处的固液共存，固相的热力学稳定性与其熔化温度直接相关，这仍然存在很大的不确定性。在本研究中，我们利用一个半经验势拟合到高温从头算数据进行热力学积分从经典系统描述的潜力从头算系统。该方法为热力学积分提供了一条平滑的路径，并显著降低了有限尺寸效应引起的不确定性。结果表明，在铁的内核条件下，hcp相是纯铁的稳定相，而在熔化温度附近，hcp相和bcc相的自由能差很小，约为10 s meV/atom.
2023-03-10 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Evolution of the inner core of the earth: consequences for geodynamo
利用地核演化模型和日长观测，考虑了无量纲地球发电机参数的变化。演化模型包括冷却的液体绝热核心，增长的固体核心，并在核心的外部与亚绝热温度梯度的区域。该模型涵盖了过去4.5Ga到未来1.5Gy的时间段，给出了热对流和成分对流的能源演化以及对流带的空间尺度。这些量用于Ekman、Rayleigh和罗斯贝数估计。到目前为止，这些数字决定了地磁场的产生机制，我们讨论了地球演化过程中地磁场的演化。
2019-05-22 physics.flu-dyn physics.geo-ph
The particle-in-cell model for ab initio thermodynamics: implications for the elastic anisotropy of the Earth's inner core
我们评估的定量准确性的粒子在细胞（PIC）近似在最近的从头计算预测的热力学性质的六方密堆积铁在地球的内核的条件。评估是通过比较PIC预测的热力学性质的范围与更精确的计算，避免PIC近似的结果。它表明，PIC给出了非常准确的结果，某些属性，但它给出了一个不正确的处理非谐晶格振动。此外，我们的评估不支持最近PIC为基础的预测，六方C/A的比例随着温度的升高而强烈增加，我们指出，这使人怀疑提出的重新解释的弹性各向异性的内核。
2003-08-29 physics.comp-ph physics.geo-ph
The Fe-Ni phase diagram and the Earth's inner core structure
本文通过从头算模拟构建 Fe-Ni 合金相图，揭示镍对地球内核结构的显著影响，并提出内核边界 bcc-液态共存及内核内部 bcc-hcp 多层结构的新图景。
2025-09-20 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Magnetic Field Generation in Planets and Satellites by Natural Nuclear Fission Reactors
物理学中最基本的问题之一是理解产生地磁场和其他行星和卫星磁场的机制的本质。几十年来，发电机机制，被认为是负责产生地磁场和其他行星磁场，已被归因于每个行星的铁合金核心对流。最近，我描述了地核对流中固有的问题，并提出地磁场是由发电机机制产生的，涉及对流，不是在流体核中，而是在地球中心天然核裂变反应堆的导电，流体，裂变产物子壳中，称为地质反应堆。在这里，我详细阐述了太阳系中类似地球内部物质的共性，这是我概括自然行星核裂变反应堆产生行星磁场的概念的基础。
2007-09-27 physics.gen-ph physics.geo-ph physics.space-ph
Short-range order stabilizes a cubic Fe alloy in Earth's inner core
本研究通过深度学习辅助的混合蒙特卡罗模拟，测定内核边界压力下Fe-Si合金的相图和声速，发现硅原子短程有序稳定bcc相，且该固溶体能更好解释内核的关键地球物理特征。
2024-09-12 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Melting Temperature of Iron Under the Earth's Inner Core Condition from Deep Machine Learning
本研究开发包含电子熵贡献的铁深度势能模型，通过热力学积分与固液共存模拟预测内核边界熔化温度，解决了与ab initio计算的差异，为后续多元素势能模型奠定基础。
2024-04-27 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Experimental evidence of a body centered cubic iron at the Earth's core condition
地球内核中铁的晶体结构仍然存在争议。最近的实验表明，六方密堆积（hcp）相。在模拟中，人们普遍认为hcp-Fe在内核压力和相对较低的温度下是稳定的。然而，在高温下，一些研究表明在内核条件下存在体心立方（bcc）相。我们在激光加热的金刚石池中，用微观结构分析和$\textit{in-situ}$ x射线衍射相结合的方法，研究了铁在200万大气压以上（> 200 GPa）和5000 K以上高温下的晶体结构。实验证据表明，在堆芯压力和高温下出现bcc-Fe，在压力-温度空间中从约95 $\pm$ 2GPa和2986 $\pm$ 79 K到至少222 $\pm$ 6 GPa和4192 $\pm$ 104 K的hcp-bcc转变线。的稳定性场的趋势意味着一个稳定的bcc-铁在地球的内核的条件下，包括解释地球的内核的地震各向异性的强有力的候选人的影响。
2018-04-13 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Heat transport within the Earth
许多人试图解释地球的动力学过程的基础上的热传输概念来自普通的经验。但是，普通的经验可能是误导性的，特别是当被错误的假设所支撑时。地球动力学的考虑传统上包括三种热传输模式：传导、对流和辐射。最近，我介绍了第四种现象，即“地幔减压热海啸”，我认为，这是地壳底部热量就位的原因。在这里，我回顾了地球内部的热传输，并推测可能存在第五种模式：“热通道”，涉及从核心到“热点”的热传输，如夏威夷群岛和冰岛。
2011-01-25 physics.geo-ph physics.pop-ph
High-pressure behavior of the Fe-S system and composition of the Earth's inner core
利用进化晶体结构预测算法USPEX，我们确定了Fe-S体系中在100-400 GPa压力范围内稳定化合物的组成和晶体结构。我们发现，在地球固体内核的压力（330-364 GPa）下，两种化合物是稳定的-Fe 2S和FeS。在与铁平衡时，只有Fe 2S可以存在于内核中。利用Fe_2S的状态方程，我们发现，为了通过单独添加硫来再现内核的密度，10.6- 13.7mol.%（6.4-8.4重量%）需要硫磺。硅的类似计算（其中在内核压力下唯一稳定的化合物是FeSi）再现了内核的密度为9.0-11.8摩尔%。（4.8-6.3重量%）硅。在这两种情况下，内核的平均原子质量M在52.6-53.3范围内，这比根据伯奇定律确定的内核的M = 49.3高得多。对于氧（其中在内核的条件下相关的稳定氧化物是Fe 2 O），我们发现匹配浓度在13.2-17.2摩尔%的范围内（4.2-5.6重量%），其对应于范围为49.0-50.6的M。结合我们的结果和前人的工作，我们发现内核密度和M可以用四种模型来解释（原子%）：（a）86%（Fe+Ni）+14%C，（b）84%（Fe+Ni）+16%O，（c）84%（Fe+Ni）+7%S +9%H，（d）85%（Fe+Ni）+6%Si +9%H，以及它们的一些线性组合（主要是模型（c）和（d））。
2017-06-09 physics.chem-ph physics.geo-ph
Double-diffusive convection in a rotating cylindrical annulus with conical caps
双扩散对流驱动的热浮力和组成浮力在旋转的圆柱形环与圆锥形帽被认为是与目的建立是否一小部分的组成浮力添加到热浮力（反之亦然）可以显着降低临界瑞利数和放大行星核心的对流。它示出的中性表面描述的双浮力的情况下，对流的发病是本质上不同的研究的纯热的情况下，确实允许低瑞利数对流的可能性。特别是，孤立的岛屿的不稳定性形成的一个额外的“双扩散”本征模在某些区域的参数空间。然而，这种低瑞利数对流的振幅是相对较弱的。在类似的流量振幅纯成分和双扩散的情况下，其特征在于由一个更强的时间依赖性相比，纯热的情况下，和由一个canderde平均纬向流附近的内圆柱表面。行星核心对流的结果的影响进行了简要讨论。
2011-04-20 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Melting of iron close to Earth's inner core boundary conditions and beyond
一些重要的地球物理特征，如核幔边界的热通量或地球发电机的产生与地球核心的温度剖面密切相关。然而，在相当于地球内核边界的条件下，在330 GPa的压力下测量铁的熔化曲线已经困扰了科学家几十年。以前报道的铁在高压下熔化温度的显着差异引起了动态测量的有效性的问题。我们报告的测量与一种新的方法，使用X射线吸收光谱，使用X射线自由电子激光源耦合到激光冲击实验。我们确定的状态，铁沿冲击Hugoniot高达420 GPa（+/- 50）和10800 K（+/- 1390），并找到一个上限的铁的熔化曲线，通过检测固体铁在130 GPa和熔融在260，380和420 GPa沿冲击Hugoniot。我们的研究结果建立明确的协议之间的动态测量和最近从静态数据的外推，从而解决了长期存在的争议的可靠性，使用动态压缩研究铁的熔化在接近地球的内核边界和超越的条件。
2014-11-08 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Unveiling the effect of Ni on the formation and structure of Earth's inner core
本研究利用 ab initio 分子动力学模拟揭示 Ni 在内核压力下稳定 bcc 相、提高熔点并加速 Fe 结晶，表明其显著影响地球内核结构与形成。
2023-09-22 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Core and mantle thermal evolution constraints on the onset of plate tectonics and a long-lived geodynamo
Institute of Space Research, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)（空间研究所，德国航空航天中心）
研究通过1D模型探讨地核与地幔热演化，揭示地幔构造起源对地球热磁历史的影响，解决新地核悖论。
2026-08-21 astro-ph.EP physics.geo-ph
Penetrative rotating magnetoconvection subject to lateral variations in temperature gradients
本文结合计算与理论分析，研究地幔热非均质性和稳定层结下的旋转穿透磁对流，量化有界域约束效应并给出穿透深度闭式表达式。
2024-12-06 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Earth and Mars -- distinct inner Solar System products
类地行星的组成记录了行星吸积、核幔和壳幔分异以及表面过程。在这里，我们比较了地球和火星的成分模型，以揭示它们的特征和形成过程。地球和火星同样富含难熔元素（1.9 $\times$ CI），尽管地球比火星更易挥发，氧化程度更低。它们的化学成分是由星云分馏确定的，中度挥发性元素的后增生损失贡献可以忽略不计。行星挥发性元素耗尽的程度可能与吸积物质中球粒的丰度、行星的大小及其吸积时间尺度有关，这为水星、金星、形成月球的巨大撞击物和原地球的组成和起源提供了见解。在星云盘的形成前后，地球可能比火星和南极小行星吸积了更多的球粒和更少的矩阵状物质，从而建立了其显著的挥发性耗尽。一个氧化的，分化的火星样的巨大影响（即，在月球上形成的碎片环（主要是由原地球的地幔组成），是一个挥发性物质耗尽、还原的原地球。类火星撞击物加入的硅酸盐地球中的亲铜和亲铁元素被硫化物熔体萃取到地核中。相比之下，火星的组成表明它在几乎均匀的氧化条件下快速吸积少量的球粒。火星的快速冷却和早期发电机的损失可能导致了板块构造和地表水的缺乏，以及现在的低表面热通量。地球和火星之间的这些相似之处和不同之处使得前者适合居住，而另一个则不适合居住。
2021-02-02 astro-ph.EP physics.geo-ph
Ohmic dissipation in the Earth's outer core resulting from the free inner core nutation
昼夜引潮力可以激发地核的正交模，即自由内核章动（FICN），其特征在于内核的旋转轴相对于外核的旋转轴的倾斜。内核和外核之间的差速旋转引起外核中的流体运动，并在地球内部磁场存在的情况下引起欧姆耗散。章动测量可以反映这种耗散，如果它是足够强大的，从而可以提供洞察地球的核心的属性和动态。在这项研究中，我们进行了一组数值计算的线性扰动的外核诱导的FICN在非常低的埃克曼数（小到$10^{-11}$）。数值结果表明，磁场的反作用显著地改变了FICN引起的微扰的结构和长度尺度，从而影响了微扰引起的欧姆耗散.当埃克曼数足够小时，欧姆耗散往往对流体粘度和磁扩散率不敏感，这使得我们能够在不依赖于外推的情况下估计与FICN相关的欧姆耗散。与Buffett（2010 b）的结果相反，基于我们的数值计算估计的欧姆耗散太弱，无法解释FICN模式的观察到的阻尼。这也意味着章动测量不能对地球外核内的磁场强度提供有效的约束。
2019-10-05 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Rotating double-diffusive convection in stably stratified planetary cores
在行星的流体核心中，密度取决于温度和化学成分，它们以非常不同的速度扩散。这导致了各种不稳定性，称为双扩散对流。本文研究了流体球中的旋转双扩散对流。我们使用Boussinesq近似与均匀的内部热和成分源项。我们专注于手指制度，其中的热梯度是稳定的，而组成的不稳定。首先，我们在球体中进行全局线性稳定性分析。稳定分层流体的临界瑞利数急剧下降，产生大规模的对流运动，局部分析预测稳定。我们证明了这种大规模的双扩散不稳定的无粘性质，使在现实的行星制度的边缘稳定性曲线的确定。特别是，我们表明，在稳定分层球，瑞利数$Ra$在发病演变像$Ra \sim Ek^{-1}$，其中$Ek$是埃克曼数。这与不稳定分层球体中的旋转对流不同，其中$Ra \sim Ek^{-4/3}$。因此，无粘对流的存在范围增加为$Ek^{-1/3}$。其次，我们进行非线性模拟。我们发现两个制度之间的过渡RDDC，分层的强度控制。此外，远离RDDC发病，我们发现一个占主导地位的赤道反对称，大规模的纬向流略高于相关的线性发病。出乎意料的是，一个纯粹的线性机制可以解释这种现象，甚至远离不稳定的发病，产生对称性破缺的非线性流饱和。对于更强的稳定层结，流动变得主要是赤道对称和强烈的纬向急流发展。最后，我们将我们的结果应用于早期地球核心。双扩散可以减少四十年的临界瑞利数为现实的核心条件。我们认为，早期的地核是容易湍流RDDC，大规模的纬…
2019-08-01 physics.class-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Earth's Inner Core dynamics induced by the Lorentz force
地震研究表明，地球的内核具有复杂的结构，并表现出很强的弹性各向异性与圆柱对称性。在已经提出来解释这种各向异性的各种模型中，一类模型考虑了与在内核内扩散的磁场相关联的洛伦兹力的影响。在本文中，我们扩展了以前的研究，并使用解析计算和数值模拟来预测的几何形状和强度的诱导流的极向分量的洛伦兹力在中性或稳定分层增长的内核，探索也不同类型的边界条件在内核边界（ICB）的效果。与以前的研究不同，我们表明，边界条件，最有可能产生显着的变形和地震各向异性是不可渗透的，通过边界的径向流可以忽略不计。精确的解析解被发现的情况下，浮力的影响可以忽略不计的内核（中性分层），而数值模拟被用来调查的情况下，稳定的分层。在这种情况下，由洛伦兹力引起的流动被发现是局部化在ICB下面的剪切层中，该剪切层的厚度取决于分层的强度，但不取决于磁场强度。我们得到的比例律的厚度，以及在这个剪切层的流动速度和应变率作为控制参数的函数，其中包括磁场的大小，密度分层的强度，内核的粘度，和内核的增长率。我们发现，除非内核粘度小于约$10^{12}$ Pa. s，否则所得的应变速率可能太小而不能产生显著的织构。
2015-06-08 physics.class-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Origin of superionic state in Earth's inner core
Pohang University of Science and Technology（韩国科学技术院）；Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR)（高压科学和技术先进研究中心）；Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences（中国科学院地球化学研究所）
通过第一性原理计算，发现电子化物形成驱动铁氢化物在地球内核压力下进入超离子态，稳定铁晶格并促进挥发分扩散，为类地行星核形成与演化提供新见解。
2023-06-13 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Morphology, interactions, and evolution of laminar thermal plumes revealed by time-resolved volumetric velocity measurements and analysis: Application to Earth's mantle
Department of Earth, Planetary, and Space Sciences, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校地球、行星与空间科学系）；Department of Earth and Planetary Sciences, Harvard University（哈佛大学地球与行星科学系）
通过4D速度测量研究高普朗特数瑞利-贝纳尔系统中成簇层流热柱的形态、相互作用与演化，揭示多种动力学行为并建立统一演化框架，为地幔对流模拟提供基准。
2026-09-29 physics.flu-dyn physics.geo-ph
