Geo-neutrinos and Earth Models
本文介绍了地中微子测量的现状及其对地幔辐射加热的意义。地球模型预测不同水平的辐射加热，因此，不同的地中微子通量从地幔。地震层析成像揭示了地幔深部的特征，这些特征可能与辐射加热有关，并导致地球表面地幔地球中微子通量的空间变化。海洋观测站对地幔通量具有最高的灵敏度，并有可能解析地球模型和地幔特征。对来自陆壳的地中微子通量估计的改进减少了地幔通量测量的不确定性，特别是陆基观测站的测量。这些改进使地球模型的分辨率使用多个大陆观测站的综合测量。
2014-05-01 physics.geo-ph
First principles study of density, viscosity, and diffusion coefficients of liquid MgSiO3 at conditions of the Earth's deep mantle
采用恒压恒温（\it ab initio）分子动力学模拟方法，对地球下地幔主要成分MgSiO $_3$液体进行了高温下的模拟研究。我们已经进行了可变细胞{ \it从头计算}分子动力学模拟在相关的热力学条件下测量的熔解曲线之一。计算的平衡体积和密度进行比较，在相同的条件下，使用正交钙钛矿配置的模拟。对于熔融MgSiO $_3$，我们测定了在不同热力学条件下的扩散系数和剪切粘度。我们的研究结果提供了新的限制熔融MgSiO $_3$的性质在核幔边界附近的条件。在所研究的压力-温度条件下，熔化体积变化为正，范围从88 GPa和3500 K时的5%到120 GPa和5000 K时的2.9%。然而，中性或负浮力熔体从（Mg，Fe）SiO $_3$钙钛矿组合物在深下地幔条件下是一致的固-液分配系数的Fe与现有的实验约束。我们的模拟结果表明，MgSiO $_3$是液体在120 GPa和4500 K，符合较低范围的实验熔化曲线，这种材料。线性外推的结果表明，液体和固体钙钛矿MgSiO $_3$的密度将变得相等接近180 GPa。
2005-05-30 physics.geo-ph
Full-waveform tomography reveals iron spin crossover in Earth lower mantle
体波和横波波速的联合解释限制了深部地幔的化学性质。在所有深度，波速的差异不能用等化学地幔来解释。在1000和2500公里的深度之间，假设的地幔模型包含电子自旋交叉（镁，铁）O提供了一个显着更好的适合的波速分布，以及更现实的温度和二氧化硅含量，比没有自旋交叉的模型。低于2500公里，波速分布解释为富集二氧化硅的核幔边界。这种二氧化硅富集可能代表了古代基底岩浆海洋的分馏残留物。
2023-03-09 physics.geo-ph
Metal Saturation and the Redistribution of Hydrogen in Earth's Mantle
California Institute of Technology（加州理工学院）；State University of New York at Stony Brook（纽约州立大学石溪分校）；University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；University of Michigan（密歇根大学）
研究通过热力学代码HeFESTo探讨地幔中金属铁的稳定性与分布，发现金属饱和可使地幔内部氢重新分配，导致浅层湿润而深层干燥，减少水储存能力达64-96%。
2026-05-11 physics.geo-ph
Geodynamo and mantle convection simulations on the Earth Simulator using the Yin-Yang grid
我们开发了基于阴阳网格的有限差分程序，用于地球发电机模拟和地幔对流模拟。阴阳网格是由两个完全相同的子网格组成的球面重叠网格。阴阳网格的网格配置的内在简单性使我们能够在大规模并行超级计算机上开发高度优化的模拟代码。阴阳地球发电机代码在地球模拟器上使用4096个处理器实现了15.2 Tflops。这代表了理论峰值性能的46%。阴阳地幔代码使我们能够进行地幔对流模拟在现实的制度与瑞利数$10^7$，包括强烈的温度依赖的粘度与空间对比度高达$10^6$。
2005-06-26 physics.geo-ph
Assessing the feasibility and consequences of nuclear georeactors in the Earths core mantle boundary
我们评估的可能性和地球化学后果核地质反应堆的存在，在核-幔边界区（CMB）之间的地球硅酸盐地幔和金属核。目前地球内部的地球化学模型预测，铀和钍在CMB中只集中在矿物硅酸钙钙钛矿（CaPv），导致预测的浓度水平约为12 ppm的联合U和Th，4.5 Ga前，如果CaPv均匀分布在整个CMB。假设原始的244 Pu有类似的行为，那么自发裂变会产生相当大的中子通量。我们表明，一个额外的浓缩因数的数量级是必需的，既点燃和维持自我维持的快速裂变的基础上的地质反应堆。功率为5 TW的连续运行的地质反应器可以解释在地球地幔中观察到的氦和氙的同位素成分。我们的假设需要在CMB中的U和Th浓度升高的存在下，是经得起检验的方向敏感地中微子断层扫描。
2008-05-06 physics.geo-ph
Analytic tomography of the mantle in a spherically Earth. The technique MZY
提出了球对称地球模型（MZY）中P波速度的显式表达式，以发展一种新的层析成像技术。仅用34个P波和2个PcP波观测走时就确定了地幔中P波速度结构的分布。通过应用非线性反演，在0和100度之间的范围内的P-残差被最小化到最大值0.015 s。此外，从高质量的PcP走时计算，残差远优于0.13秒，这是可能的推断存在一个短暂的低速层中的D”区域。然后，从2893.9公里的深度开始，向核心的速度分布逐渐增加。
2001-03-15 physics.geo-ph
Earth's chondritic Th/U: negligible fractionation during accretion, core formation, and crust - mantle differentiation
钾（K）、钍（Th）和铀（U）的放射性衰变为地球的引擎提供动力，232 Th/238 U的变化记录了行星分化、大气氧化和生物介导的过程。我们报告了数千个$^{232}$ Th/ $^{238}$ U（$κ$）和时间积分Pb同位素（$κ$ $_{Pb}$）值，并评估了地球、地核和硅酸盐地球的比值。互补的块状硅酸盐土域（即，大陆地壳$κ_{Pb}^{CC}$ = 3.94 $^{+0.20}_{-0.11}$和现代地幔$κ_{Pb}^{MM}$ = 3.87 $^{+0.15}_{-0.07}$）分别紧紧地包围了太阳系初始值$κ_{Pb}^{SS}$ = 3.890 $\pm$ 0.015。这些发现揭示了块状硅酸盐地球的$κ$ $_{Pb}^{BSE}$是3.90 $^{+0.13}_{-0.07}$（或Th/U = 3.77的质量比），这解决了关于地球Th/U值的长期争论。我们进行了蒙特卡罗模拟计算的$κ_{Pb}$的BSE和散装地球的范围内的U浓度的核心（从0到10纳克/克）。我们的结果与$κ$ $_{Pb}^{SS}$的比较限制了核心中可用的U和Th预算。可忽略的Th/U分馏伴随着吸积、地核形成和壳幔分异，微量的这些元素（重量为0.07 ppb，相当于0.014 TW的放射成因功率）被添加到地核中，并不为地球发电机提供动力。
2018-01-18 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
Mantle Dynamics in Super-Earths: Post-Perovskite Rheology and Self-Regulation of Viscosity
简单的比例表明，超级地球比同等地球大小的行星更有可能经历板块构造。一般而言，粘度和热导率随压力的增加而增加，而热膨胀率降低，导致地幔深部对流活力降低。根据传统的想法，这可能会导致超级地球的地幔深处没有对流。在这里，我们对此进行评估。首先，我们在这里扩展后钙钛矿激活焓的密度泛函理论（DFT）计算到1 TPa的压力。扩散蠕变的激活体积变得非常低，在非常高的压力，但尽管如此，最大的超级地球的粘度沿地幔可能会接近1030 Pa·s的深部地幔。其次，我们使用这些计算值的地幔对流和岩石圈动力学的行星与多达10个地球质量的数值模拟。该模型假设了一个可压缩地幔，包括深度依赖的材料属性和塑性屈服诱导板块构造。结果证实了板块构造的可能性，并显示了一种新的深地幔温度的自我调节。深部地幔不是绝热的;相反，内部加热使温度升高，直到粘度低到足以促进放射性热的对流损失，这导致超绝热温度分布和粘度随深度增加不超过3个数量级，而不管为一个地幔计算的粘度增加。大型超级地球的对流特征是大的上升和小的，随时间变化的下降。如果超级地球在其形成后非常热/熔融，那么即使在数十亿年之后，其深部内部也可能仍然非常热，并且可能基本上熔融有“超级基底岩浆海洋”-一个更大的版本（Labrosse等人，2007年）。
2013-01-10 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
High-pressure, temperature elasticity of Fe- and Al-bearing MgSiO3: implications for the Earth's lower mantle
Fe和Al是除Mg、Si和O之外最重要的两种成岩元素。它们存在于下地幔最丰富的矿物MgSiO_3桥镁石、MgSiO_3后钙钛矿和MgO方镁石中，改变了它们的弹性性质。然而，关于含铁和铝的MgSiO_3桥晶石和后钙钛矿的热弹性的知识很少。在这项研究中，我们进行从头算分子动力学计算的弹性和地震性质的纯，Fe^{3+}-和Fe^{2+}-，和Al^{3+}轴承MgSiO_3钙钛矿和后钙钛矿，在广泛的压力，温度和Fe/Al组成。我们的研究结果表明，类似地幔岩的矿物组合符合一维地震学模型，至少在核幔边界上方几百公里处，即D“区域的顶部。在D“中，类似的组成仍然非常适合于平均速度，并且相当接近于密度。我们还利用地球动力学模型实现了多晶塑性，以预测由此产生的地震各向异性，并发现在所有成分中具有主导（001）滑移的后钙钛矿与D“中的地震观测结果最一致。
2015-07-17 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Geo-neutrinos: recent developments
辐射加热是地球能量平衡和热演化的重要组成部分。它有助于地幔对流、板块构造、火山和造山运动。地球中微子观测估计了我们星球目前的放射性能量。这一估计取决于各种地球水库中产热元素的数量和分布。在地质学上特别重要的是地幔中的辐射加热。这个量揭示了我们星球的起源和热演化。在这里，我们介绍：目前报道的地球中微子观测;估计地幔地球中微子信号，地幔辐射加热，地幔冷却;比较化学地球模型预测的地幔地球中微子信号和地幔辐射加热;简要讨论辐射加热的核心，包括计算地球中微子信号每pW/kg;最后讨论的观测策略。
2014-12-11 physics.geo-ph
EarthGAN: Can we visualize the Earth's mantle convection using a surrogate model?
科学模拟通常用于深入了解基础问题。然而，许多潜在的有用的模拟结果很难可视化没有强大的计算机。在这项研究中，我们试图建立一个代理模型，使用生成对抗网络，使可视化的地球地幔对流数据集上容易获得的硬件。我们提出了我们的初步方法和结果，所有的代码都是公开的。初步结果表明，地球地幔对流数据集的代理模型可以产生有用的结果。提供了与“地面实况”的比较。
2021-10-25 cs.LG physics.geo-ph
Primordial Earth mantle heterogeneity caused by the Moon-forming giant impact
月球形成的巨大撞击假说成功地解释了地月系统的动力学性质，但仍然受到地球和月球地幔同位素指纹相似性的挑战。此外，最近的地球化学证据表明，地球的地幔保留了古老的（或“原始”）不均匀性，早于月球形成的巨大影响。使用一种新的流体动力学方法，我们在这里表明，月球形成的巨大的影响导致一个分层的开始条件的地幔演化。地球的上层在成分上类似于月球演化出来的圆盘，而下层则保留了原地球的特征。只要这种预测的成分分层可以在随后数十亿年的地球地幔对流中至少部分地保留下来，月球和可接近的地球地幔之间的成分相似性是现实和高概率的月球形成撞击情景的自然结果。在现代地球中原始异质性的保存不仅调和了地球化学的限制，但也符合最近的地球物理观测。此外，为了有效保存原地球储层，地月系统的整体组成可能会系统地向南极值转移。
2019-04-04 astro-ph.EP physics.geo-ph
High solubility of water in post-perovskite and bridgmanite in the Earth's deep lower mantle
The University of Tokyo（东京大学）；Hokkaido University（北海道大学）；Institute of Science Tokyo（东京科学大学）；University of Hyogo（兵库大学）
本研究通过熔融实验结合Cryo-SIMS测量，发现水在深部下地幔的Bdg和PPv中溶解度极高，表明俯冲板块到地幔底部不释放水，提出富水矿物可能构成深部地幔的低D/H水储层。
2026-08-04 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Hydrogen diffusion in the lower mantle revealed by machine learning potentials
本文利用机器学习势分子动力学模拟研究下地幔布里奇曼石和后钙钛矿中的氢扩散，揭示其受温度、压力及缺陷机制影响，并为通过电导率非均质性推断下地幔水分布提供依据。
2024-02-28 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
GRACE -- gravity data for understanding the deep Earth's interior
虽然GRACE空间飞行任务观测到的时间重力变化的主要原因是地球表面响应气候和人为强迫而发生的水团重新分布（例如，陆地水文、海洋质量、冰川和冰盖质量的变化），固体地球质量的再分布也被这些观测记录下来。特别是冰川均衡调整（GIA）或地幔对末次冰消作用的粘性响应。然而，直到最近才发现重力数据还包含了外核内部流动的特征及其对核幔边界的影响。在GRACE观测中探测地球深部的过程提供了一个令人兴奋的机会，可以提供关于核幔界面动力学的额外见解。本文介绍GRACEFUL（Gravimetry，mAgnetism and CorE Flow）计划的一个方面，即利用重力场资料了解地球流体核和核幔边界内的动力学过程的可能性，以及地磁场变化所提供的动力学过程。
2020-12-20 physics.geo-ph
Mathematical modelling of proton migration in Earth mantle
在这项研究中，我们解决了质子在地幔中迁移的数学问题，并提出了一个原型，用于探索地球的内部映射的超离子质子传导的影响。该问题可以通过导出自洽电磁场势U（x，t）然后重构分布函数f（x，v，t）来数学地解决。减少的Vlasov-Maxwell方程组的非线性SH-戈登双曲和运输方程，在域内的非线性波前的传播，和运输的边界条件的形式的非线性波的检查。通过计算三维模型和傅立叶分析，电位U（x，t）的空间和电气特性进行了研究。将数值结果与通过现场观测的电势（Kuznetsov方法）获得的电势（V）的傅立叶变换量进行比较。所提出的数学模型可以有效地解决两组分系统受迫振荡的非定常解，从而解决两种类型带电粒子的振荡强度问题。此外，该模型，连同数据分析的电势观测和概率地震危险性地图，可以用来开发一个先进的地震风险度量。
2022-06-05 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
Geophysical and geochemical constraints on geoneutrino fluxes from Earth's mantle
地幔中辐射加热的数量和分布的知识是了解地球动力学的关键，包括它的热演化，地幔对流的风格和平面形状，以及核心的能量学。虽然来自行星表面的热通量得到了可靠的估计，但辐射成因加热和长期冷却的贡献仍然很难确定。限制地球中发热元素的数量将为理解早期太阳系的星云凝聚和行星形成过程提供线索。地幔放射性为地幔对流和板块构造提供了动力，但对地幔放射性生热的估计相差20倍以上。最近的实验结果表明，有可能通过观测地中微子直接评估地幔放射性，地中微子是由天然放射性核发射的。对地中微子信号的预测存在几个已建立的估计地幔成分。在这里，我们提出了新的分析，说明表面变化的地幔地中微子信号的模型的深部地幔结构，包括那些基于地震层析成像。对于某些模型来说，这些变化具有可测量的差异，允许对地球的动态进行新的和有意义的限制。一个基于海洋的地中微子探测器部署在几个战略位置，将能够区分散装硅酸盐地球的竞争成分模型。
2012-10-18 nucl-ex physics.geo-ph
Chemical basis of deep-Earth physics: Emphasis on the core-mantle boundary D''
目前关于地球内部的流行观点几乎完全是在物理学的基础上发展起来的。本着联合国指定2011年为国际化学年的精神，我统一了660公里深度以下地球物质的化学和物理推论。我涉及的基本质量比的关系，该地区的内部部分与相应的顽火辉石球粒陨石部分，提供了一个定量的基础，了解“地震粗糙”的问题，在核心地幔边界，D”，所产生的地球核心沉淀物，“核心漂浮物”，CaS和MgS。笔者认为超低速带由CaS组成。
2011-01-26 physics.geo-ph physics.pop-ph
The origin of Earth's mantle nitrogen: primordial or early biogeochemical cycling?
地球地幔中的氮（N）含量与其富氮大气中的含量相当。地幔N被认为是原始的或起源于后来的俯冲，但其起源尚未阐明。在这里，我们模型N分配在岩浆海洋阶段以下行星形成和随后的地球历史上的表面和地幔之间的循环使用氩（Ar）和N同位素作为示踪剂。Ar约束的分配模型表明，只有约10%的总N含量可以被困在固化地幔中，由于N的低溶解度的岩浆和低分配系数的矿物在氧化条件下的地球物理和地球化学研究的支持。对于原始起源的一个可能的解决方案是，地球在岩浆海洋凝固时的N大约是地球的10倍。我们表明，多余的N可以通过后期吸积过程中的冲击侵蚀去除。由N同位素约束的循环模型表明，地幔N可以来自有效的N俯冲，如果沉积N埋藏速率在早期地球上是现代地球的可比。如此高的氮埋藏率需要生物处理。最后，我们的模型提供了一种方法来区分这两种可能的起源与未来的分析的表面和地幔N同位素记录。
2022-04-21 astro-ph.EP physics.geo-ph
Bayesian inversion for the filtered flow at the Earth's Core Mantle Boundary
本文用贝叶斯方法研究了由外核磁场和长期变化模型确定核幔边界流动的反问题。为了避免由于可用字段的截断性质而产生的问题，我们结合了两种建模方法。第一步，我们在磁场上施加一个滤波器，通过减少小尺度中包含的能量来隔离大尺度，然后推导出描述滤波部分磁场时空演化的动力学方程，称为滤波冻结通量方程。在第二步中，我们提出了一个统计参数化的过滤磁场，以占其剩余的未解决的规模和其大规模的不确定性。这两个建模技术，然后包括在贝叶斯公式的反问题。为了探索复杂的后验分布的速度场由此产生的发展，我们数值实现了一个算法的基础上马尔可夫链蒙特卡罗方法。在评估我们的方法合成数据，并将其与以前介绍的方法进行比较后，我们将其应用于2005.0的单历元的真实数据。
2013-10-25 physics.geo-ph
Core-exsolved SiO$_2$ dispersal in the Earth's mantle
SiO $_2$可能是在地球吸积的早期阶段核心形成后直接从核心中排出的，并一直持续到今天。由于SiO $_2$相对于核壳和地幔底部的密度较低，我们研究了SiO $_2$在核幔边界（CMB）的聚集和通过浮力上升并入地幔的过程。今天，如果SiO $_2$比下地幔物质的粘性大100-10000倍，那么由CMB处的粘性瑞利-泰勒不稳定性形成的SiO $_2$底辟的尺寸将使它们作为直径为100 m - 10 km的包裹体被扫入地幔。在地核形成后快速热损失的早期地球条件下，直径约1 km的SiO $_2$底辟可能独立于地幔流上升到地幔中的中性浮力水平，由于固有的高粘度和中性浮力的结合，将它们困在那里。我们通过假设在岩浆海洋底部发现的条件下的Si+O饱和度来检查SiO $_2$产率，发现对于一系列条件，分散体可以达到高达8.5体积%。在下地幔的某些地方。在如此低的浓度下，它们对总地震波速的影响在观测地震学的不确定性范围内。然而，它们的存在可以解释下地幔的小尺度散射，因为它们的速度差异很大。我们的结论是，浅的下地幔（700-1500公里深度）可以窝藏SiO $_2$释放在早期地球时代。
2018-01-06 astro-ph.EP physics.geo-ph
A New Global Theory of the Earth's Dynamics : a Single Cause Can Explain All the Geophysical and Geological Phenomena
本文在描述了与现行板块构造理论相关的所有矛盾之后，提出了一个单一原因可以解释所有地球物理和地质现象的模型。地球活动的根源在于地幔和固体内核的角速度之差。两个球体之间的摩擦产生热量，这是构成大部分液态外核的熔融铁的原因，也是全球热流的来源。固体内核的角速度应该保持稳定，而地幔的角速度取决于陀螺力（包括加速度）和由于外部吸引力而减慢，主要是2900公里厚的地幔板块的运动。因此，地磁场的变化是地幔相对于内核的角速度变化的直接结果。因此，地质时代的生物和构造演化都是由于这些现象。因此，纪元的极限正好与地磁场的零通道相吻合。在这里，我们展示了大约2.3亿至2.5亿年的周期，这些周期表现出地幔角速度变化、地磁变化和气候之间的相关性，使我们能够预测未来的事件：当前全球变暖与地球磁场减少平行。
2005-02-24 physics.geo-ph
FeOOH instability at the lower mantle conditions
针铁矿，α-FeOOH，是被称为铁锈的氧化铁物种中的主要成分，其形成为从约38亿年（Gy）前直到约2.5 Gy前的大氧化事件（GOE）居住在地球上的无氧原核生物（1，2）的代谢产物。铁锈被埋在底土（1，2），并由于大约2.8 Gy前开始的板块构造（3）而不得不通过俯冲板块进入地幔。铁锈在下地幔高温高压（HPHT）条件下的命运和地质作用尚不清楚。利用同步辐射单晶x射线衍射研究了针铁矿在82（2）GPa和2300（100）K下的行为。在这些条件下，对应于深度约1000 km的最冷板片，α-FeOOH分解为各种铁氧化物（Fe 2 O3，Fe 5 O 7，Fe 7 O 10，Fe6.32O9）和富氧流体。我们的研究结果表明，地幔中铁锈的再循环可能有助于氧气释放到大气中，并解释了与大火成岩省形成有关的GOE之前氧气水平的零星增加（4）。
2019-08-06 physics.geo-ph
Weak magnetic field changes over the Pacific due to high conductance in lowermost mantle
在过去的几个世纪里，太平洋地区地球磁场的时间变化一直非常低。其原因与核幔边界附近的液体外核中的大规模流动有关，这些流动在太平洋下较弱，并且具有行星尺度的环流，该环流是偏心的，并且广泛地避开了该区域。然而，是什么调节这种类型的流动形态是未知的。在这里，我们提出的结果，从一个数值模型的动力学在地球的核心，其中包括电磁耦合与非均匀导电层在地幔的基础。我们发现，当这层的电导率是高于太平洋下比其他地方，较大的电磁阻力削弱了当地的核心流和偏转的行星环流远离太平洋的流动。最低地幔电导的性质仍不清楚，但分层的核心流体被困在地形起伏的核幔边界是一个可能的解释。
2022-01-03 physics.geo-ph
A Data Science Approach to Study the Water Storage Capacity in Rocky Planet Mantles: Earth, Mars, and Exoplanets
本文运用统计学习等数据科学方法，结合地球和火星案例及系外行星观测数据，研究岩石行星地幔储水能力建模，并探讨了数据科学在矿物物理研究中的应用与局限。
2023-04-07 astro-ph.EP physics.geo-ph
Neutrino Geoscience: Review, survey, future prospects
地球表面的热通量为46 $\pm$ 3 TW（terrawatts，10 $^{12}$ watts）。尽管许多人认为我们知道地球上放射性产热元素的丰度和分布（即，U，Th和K），估计地幔的产热变化的数量级和最近的粒子物理研究结果挑战我们的主导范式。地质学家预测地球的辐射能量预算为20 $\pm$ 10 TW，而粒子物理实验预测为15.3 $^{+4.9}_{-4.9}$ TW（Kamland，日本）和38.2 $^{+13.6}_{-12.7}$ TW（Borexino，意大利）。我们欢迎有此机会强调物理学界提供的具有根本重要性的资源，并提请注意与地球地质特征有关的缺点。我们回顾了基于大陆的物理实验的结果，地质学的预测，并评估了大陆岩石圈和下伏地幔的物理测量和预测模型之间的失配程度。由于我们对大陆的认识有些不确定（7.1 $^{+2.1}_{-1.6}$ TW），地幔（3.5 ~ 32 TW）和块状硅酸盐地球（地壳加地幔）的放射成因功率模型仍然不确定，分别为$\sim$ 10和$\sim$ 4倍。在远离大陆影响的海洋中探测到地中微子信号，有可能解决这种紧张局势。中微子地球科学是研究陆壳和地幔组成及其结构的有力工具。
2022-09-27 physics.geo-ph
Absence of dehydration due to superionic transition at Earth's core-mantle boundary
该研究通过从头算与深度学习势模拟发现delta-AlOOH的双重超离子转变，证明核幔边界超离子态水难以脱水，可在深部地幔累积，对深部水循环意义重大。
2025-03-23 astro-ph.EP physics.geo-ph
Springtide-induced magnification of Earth mantle resonance causes tectonics and conceals universality of physics at all scales
我展示了两个基本的贡献。首先，地球构造一般是由地球地幔中的机械共振的大潮引起的放大的结果。同样的机制，导致桥梁倒塌下的士兵步行军，也使地球岩石圈失败下的春潮诱导放大地幔共振，导致强烈的地震。其次，通过将上述发现推广到所有宇宙中的任何地方和任何时候的任何物体上，我发现星系际、牛顿、量子和更小尺度的物理学之间没有区别。因此，所谓的物理学比例常数G并不是一个常数，而是一个最一般形式的参数：G = s e^2，在不同尺度s之间非线性变化。任何与尺度相关的物理变化，被爱因斯坦和普朗克错误地认为是这样的，只是明显的，并且是由于地幔春潮引起的极端共振而产生的，这也严重阻碍了任何旨在估计最终比例G的地球实验。如果把引力简单地看作是机械的和排斥的，它就能得到解释。
2006-08-20 astro-ph physics.gen-ph physics.geo-ph
Reduced radiative conductivity of high and low spin FeO6 octahedra in the Earth's lower mantle
地幔相的光学性质决定了地幔辐射导热的能力。高压下地幔矿物的光学性质可以通过金刚石压砧实验获得，但由于在1000 K以上的T下广泛的热辐射，这种研究仅限于较低的温度。特别不确定的是下地幔矿物的光学性质的温度依赖性在整个自旋转变的自旋状态本身是一个很强的温度函数。在这里，我们使用激光加热的DAC结合脉冲明亮的超连续激光探针和同步时间选通检测器，以检查高和低自旋亚铁的光学性质在45-73 GPa和1600 K的FeO 6，在地幔中最丰富的积木之一。菱铁矿（FeCO 3）被用作FeO 6-八面体的模型，因为它不含三价铁，并在44 GPa下表现出明显的光学自旋跃迁，简化了数据解释。我们发现，低自旋的FeO 6的光学吸收显着增加，在1000-1200 K由于部分解除Laporte选择规则。然而，温度诱导的低到高的自旋转变，导致在一个显着下降的吸收的FeO 6-单元。吸收边（Fe-O电荷转移）随着温度的升高而红移（~ 1 cm-1/K），并且在高于1600 K的T下成为可见光范围内的主要吸收机制，抑制辐射电导率。这意味着类似的FeO 6轴承矿物，如铁方镁石，在地球下地幔中第二丰富的矿物，辐射传导率大幅降低接近核幔边界条件。最后，我们的研究结果强调，在室温下探测地幔矿物的光学性质是不够的模型辐射热导系数的行星内部。
2016-04-09 cond-mat.mtrl-sci 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
Geomagnetic spikes on the core-mantle boundary
地球磁场的极端变化发生在公元前1000年左右的黎凡特地区，当时磁场强度迅速上升和下降了2倍。目前，在这种强度尖峰和核心地球发电机产生的全球磁场之间不存在连贯的联系。在这里，我们表明，黎凡特尖峰必须跨越地球表面的经度超过60度，如果它起源于核幔边界（CMB）。几个低强度的数据是不符合这个几何约束，但年龄的不确定性表明，这些数据可能已经采样的领域之前出现的尖峰。最能满足能量和几何约束的模型产生8-22度宽的CMB尖峰，峰值在O（100）mT。我们认为，黎凡特尖峰反映了强烈的CMB通量补丁，在迁移西北，促进偶极子场的增长之前增长的地方。欧姆加热的估计表明，扩散过程可能支配地磁尖峰的最终衰减。
2017-09-01 physics.geo-ph
Spin-state crossover and hyperfine interactions of ferric iron in MgSiO$_3$ perovskite
利用密度泛函理论和Hubbard $U$计算方法，我们证明了（Mg，Fe）（Si，Fe）O $_3$钙钛矿的基态在十二面体（A）和八面体（B）位置都具有高自旋三价铁（$S=5/2$）.随着压力的增加，B位铁经历自旋态到低自旋态（$S=1/2$）的交叉，而A位铁保持在高自旋态。我们的计算表明，在40-70 GPa的压力范围内，B位自旋态交叉伴随着明显的体积减小和四极分裂的增加，与最近的x射线衍射和穆斯堡尔谱测量一致。体积减小导致体积模量显著软化，这表明下地幔地震速度异常的可能来源。
2011-02-02 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
First-principles study of intermediate-spin ferrous iron in the Earth's lower mantle
铁的自旋交叉在固体地球物理中具有重要意义。它会影响构成地球下地幔$\sim 95$ vol\%的矿物的所有物理性质：铁方镁石[（Mg，Fe）O]和含铁硅酸镁（MgSiO $_3$）钙钛矿。尽管在过去的十年中取得了很大的进展，二价铁（Fe $^{2+}$）的中间自旋（IS）状态（具有总电子自旋$S=1$）的存在及其在这些下地幔矿物的压力诱导自旋交叉中的可能作用仍然存在争议。采用密度泛函理论$+$自洽Hubbard $U$（DFT $+U_{sc}$）计算方法，研究了Fe $^{2+}$在（Mg，Fe）O和（Mg，Fe）SiO $_3$钙钛矿中所有可能的IS态.在这些矿物中可能的IS状态中，最可能的IS状态具有显着降低电子重叠和铁核四极分裂（QS）的电子构型。然而，这些最可能的IS态在能量上仍然是不受欢迎的，它们的量子点与穆斯堡尔谱不一致。因此，我们得出结论，IS Fe $^{2+}$是极不可能在地球的下地幔。
2014-10-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el physics.geo-ph
Mild-to-wild plasticity of Earth's upper mantle
该研究通过室温纳米压痕实验证明上地幔主要矿物橄榄石存在间歇性位错雪崩式塑性变形，并预测地幔深处流动以狂野波动为主，为深源地震等瞬态失稳机制提供新约束。
2024-06-14 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
The thermodynamics of CaSiO3 in Earth's lower mantle
École Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）；National Centre for Computational Design and Discovery of Novel Materials (MARVEL)（新材料计算设计与发现国家中心）；Paul Scherrer Institut（保罗谢尔研究所）；Università di Roma Sapienza（罗马第一大学）
研究通过第一性原理方法分析了地球下地幔中CaSiO3的热力学性质，发现其立方相在下地幔条件下稳定，并评估了其声速和热导率。
2025-01-14 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Large presence of carbonic acid in CO$_2$-rich aqueous fluids under Earth's mantle conditions
在极端压力和温度条件下，含水流体中碳的化学性质对地球深层碳循环非常重要，这对地球表面的碳收支和全球气候变化产生了重大影响。在环境条件下，碳酸在水中的浓度可以忽略不计，因此在以前的地球化学模型中，水溶性碳酸被简单地忽略了。然而，通过在类似于地球上地幔的压力和温度条件下应用广泛的从头算分子动力学模拟，我们发现，碳酸可以是在10 GPa和1000 K下的水性CO $_2$溶液中最丰富的碳物种。碳酸在总溶解碳物种中的摩尔百分比沿等温线随压力增加而增加，而其摩尔百分比沿等压线随温度增加而减少。在CO $_2$富含溶液中，我们发现碳酸分子和碳酸氢根离子之间存在显著的质子转移，这可能会增强溶液的电导率。碳酸的pH缓冲作用可能在地球内部水-岩相互作用中起重要作用。我们的研究结果表明，碳酸是一个重要的碳载体在深层碳循环。
2019-07-03 physics.chem-ph physics.geo-ph
Radiography of the Earth's Core and Mantle with Atmospheric Neutrinos
测量能量超过10 TeV的中微子穿过地球时的吸收，能够揭示其密度分布。不幸的是，AMANDA南极中微子望远镜已经排除了具有足够亮度的光束的存在。在这封信中，我们指出，随着第二代更大规模中微子探测器的出现，研究地球内部结构的想法可能会重新使用大气中微子。
2008-02-19 astro-ph hep-ph physics.geo-ph
Changes in core-mantle boundary heat flux patterns throughout the supercontinent cycle
本研究利用ASPECT软件的三维地幔对流模型，结合10亿年板块重建数据，揭示超大陆旋回中核幔边界热流异常的动态变化规律，为理解地球热演化与磁场稳定性提供新依据。
2023-10-05 astro-ph.EP physics.geo-ph
Geo-neutrinos, Mantle Circulation and Silicate Earth
为了准备将来可以得到的实验结果，我们比[F]更详细地考虑了地中微子的产生。Mantovani等人，arXiv：hep-ph/0309013]，为更精细的模型奠定了基础。我们研究地球中微子生产的不同模型的物质循环和组成的地幔。通过使用块状硅酸盐地球的全球质量平衡，来自地壳和地幔中的远源的预测通量贡献被固定在± 15%（全范围）内。必须对探测器附近区域进行详细的地质和地球化学调查，以将局部丰度波动造成的通量不确定性降低到全球地球化学误差水平。一个5千吨的探测器在离核电站相对较远的地方运行了4年，可以测量到地球中微子信号，精度为5%（1西格玛）。它将为块状硅酸盐地球提供一个关键的测试，并直接估计辐射对地热的贡献。
2004-01-12 astro-ph hep-ph physics.geo-ph
Magnification of mantle resonance as a cause of tectonics
通过对超导重力仪（SG）年代际数据（含噪声）的方差谱分析，提出了地球构造运动是基于质量（主要是地幔）机械共振的放大，而不是基于先前假设的原因。在此，原始（空白和未更改）数据的使用被视为物理结果有效性的标准，因此数据未以任何方式更改。然后，类似于全球高频自由振荡的大气潮汐强迫，我建议，月球会合经常性的拉力同样可以驱动地球的长周期（12至120分钟）振荡。为了证明这一点，我表明，每天的质量（重力）振荡的幅度，作为一个相对措施的非平稳地球动能，得到天气周期，而相关的0.97与地震能量的一天，浅源地震和3天前。地幔通常粘度和地球的春潮和重力模态周期的强迫振子方程成功地模拟了一个相同的3天相位。最后，尽管关于最严重地震（大约9.5级）的报告将最大同震位移放在10米左右，但同样的方程预测最大位移也是9.8米。因此，同样的机制，导致桥梁倒塌下的士兵步行军可能会使岩石圈失败下的春潮诱导放大地幔共振，导致强烈地震的类型不明。如果这一论断是正确的，那么即使不是大多数，也有许多大地震在空间和时间上是可以预测的。
2008-04-09 astro-ph.EP physics.class-ph physics.data-an
Modelling of thermal stratification at the top of a planetary core: Application to the cores of Earth and Mercury and the thermal coupling with their mantles
本文提出了一种新的数值方法来求解一维球壳导热问题。该计划采用的解决方案的传导方程在每个间隔所选择的离散化是有效的，如果在间隔边界的通量是恒定的时间。这种分段定常通量（PWSF）数值格式在空间域上是连续的和可微的，便于在能量守恒的行星核热演化模型中实现，当热通量为亚绝热时，核幔边界下形成了传导分层层。一个随时间变化的分层区域上的行星体的一般演变的影响进行检查，在施加一个绝热温度分布的核心。通过考虑分层的行星核心的热通量是亚绝热的，在冷却速率的径向变化被占，而在其他方面的核心的能量分布是固定的强加的热量。在热分层区域的生长过程中，核心的深部比核心的外部冷却得更快。因此，如果考虑成层区，则内核的尺寸增大，核幔边界处的温度和热通量分别增大。对地球来说，影响可能很小，在对分层区域本身不特别感兴趣的热演化研究中可以忽略不计。对水星来说，这些影响要大得多。例如，如果忽略热分层，内核的年龄可能会被低估几十亿年。考虑到水星核心的热分层也增加了地幔温度，导致更大的热通量进入岩石圈，并抑制了地幔对流。
2021-05-17 astro-ph.EP physics.geo-ph
Van der Waals interactions in supercritical water under Earth's mantle conditions
The Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）
本研究通过AIMD模拟比较不同泛函在极端条件下超临界水的性质，发现vdW影响减弱而O-H键强度影响质子转移，为地幔水研究提供指导。
2026-09-16 physics.comp-ph physics.geo-ph
Effect of mantle oxidation state and escape upon the evolution of Earth's magma ocean atmosphere
岩浆海洋时期是决定地球大气如何发展成可居住环境的关键阶段。然而，在决定早期地球大气层的关键过程中，例如行星内部的放气和物种逃逸到太空中，存在着重大的不确定性。本文研究了不同地幔氧化还原状态下不同物质的释气和H $_2$的逃逸对岩浆海洋期大气组成和演化的影响。我们包括一个重要的新的大气-内部耦合机制，即地幔的氧化还原演化强烈影响的物种的放气。我们模拟的挥发性放气和化学形态在表面的各种氧化还原状态的地幔采用C-H-O为基础的化学形态模型结合内部放气模型。然后，我们应用逐行辐射转移模型来研究行星的红外发射和传输方面的远程外观。最后，我们使用一个参数化的扩散限制和XUV能量驱动的大气逃逸模型来计算H $_2$到空间的损失。我们模拟了地球岩浆海洋时期还原或氧化大气的热发射和透射光谱。与富含H $_2$ O和CO $_2$的氧化或厚大气相比，由H $_2$组成的还原或薄大气向空间发射更多的辐射，并且具有更大的有效高度。我们得到的H2从地幔到大气中的释气速率是扩散限制逃逸到空间的速率的10倍。我们的工作提供了有用的洞察地球大气在岩浆海洋时期的发展，以及输入，以指导未来的研究讨论系外行星内部成分。
2020-11-05 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Enhanced Prognosis for Abiotic Natural Gas and Petroleum Resources
非生物天然气和石油潜在资源的预测主要取决于地球形成的性质和环境。直到最近，这一预测一直仅在所谓的“太阳系形成标准模型”框架内考虑，这是不正确的，并导致了类地行星核心质量不足的矛盾。相比之下，（i）我所揭示的地球形成为一个类似于木星的气体巨星的新观点大大增强了这种预测;（ii）核心形成与一个巨大的气体原行星内部的降雨同时发生，而不是通过随后的整个地球在气体损失后重新熔化;（iii）全球减压动力学的结果，这消除了关于地幔对流的毫无根据的假设;（iv）地幔减压热海啸作用。后者除了解释离开地球表面的大部分热量、地壳中观察到的地热梯度、大量火山活动以及可能的地震发生之外，还可能通过对地壳底部加压和加热来加强对未来非生物能源供应的预测，地壳底部是非生物地幔甲烷或其他来自地幔的含碳物质的潜在收集点。
2006-03-26 physics.gen-ph physics.geo-ph
Comment on "Mineral-water reactions in Earth's mantle: Predictions from Born theory and ab initio molecular dynamics" by Fowler et al. 2024 (Geochim. Cosmochim. Acta 372, 111-123)
本文通过延长AIMD模拟验证了Pan等人水的介电常数39.4的收敛性，指出Fowler等人51的偏差源于偶极矩计算方法差异，对地幔矿物-水相互作用建模有重要影响。
2025-07-29 physics.comp-ph physics.geo-ph
Formation of abiogenic hydrocarbons in supercritical fluids under Earth's upper mantle conditions
Lehrstuhl für Theoretische Chemie, Ruhr-Universität Bochum（波鸿鲁尔大学理论化学教席）；Department of Physics, Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学物理系）；Department of Chemistry, Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学化学系）
研究揭示地幔条件下非生物过程可合成烃类，通过CO聚合在超临界水环境中形成大分子烃类，可能影响地球碳循环。
2025-12-03 physics.comp-ph physics.geo-ph
Equations of state and stability of MgSiO$_3$ perovskite and post-perovskite phases from quantum Monte Carlo simulations
我们利用量子蒙特卡罗（QMC）模拟和密度泛函理论（DFT）计算研究了MgSiO $_3$钙钛矿（Pv）和后钙钛矿（PPv）在下地幔底部压力和温度条件下的状态方程。采用准简谐近似和密度泛函微扰理论计算了分子的基态能量和与温度相关的Helmholtz自由能。MgSiO $_3$两相的物态方程与实验符合良好，且优于广义梯度近似（GGA）计算结果。从我们的QMC状态方程计算的Pv-PPv相边界也与实验一致，比以前的LDA计算更好。我们讨论了在地球上的Pv-PPv边界的双重交叉的影响。
2014-09-24 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Ultra-high pressure disordered eight-coordinated phase of Mg$_2$GeO$_4$: Analogue for super-Earth mantles
Mg 2GeO 4是Mg 2SiO 4超高压行为的模拟物，因此我们采用激光加热金刚石对顶砧装置，结合同步辐射X射线衍射和密度泛函理论（DFT）计算，研究了锗酸镁在275 GPa和2000 K以上的超高压行为。实验结果与具有无序Mg和Ge的新相一致，其中锗与氧采用八重配位：立方Th 3 P4型结构。模拟使用特殊的准随机结构（SQS）的方法建议偏序在tetrandom I-42 d结构，在我们的实验中无法区分I-43 d Th 3 P4。这些结构以前在任何氧化物中都没有报道过。如果适用于硅酸盐，这种高度协调和内在无序相的形成将对大型岩石太阳系外行星的内部矿物学产生重要影响。
2021-08-20 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Optical signatures of low spin Fe3+: a new probe for the spin state of bridgmanite and post-perovskite
铁的自旋转变直接影响下地幔矿物的性质，从而改变地球深部的地球物理和地球化学特征。虽然铁方镁石中的自旋转变已经在P ~ 60 GPa和300 K下被有力地建立，但是在其他造岩矿物中的自旋转变的实验证据，例如硼镁石和后钙钛矿，仍然存在争议。多价态，自旋，和配位状态的铁在钙钛矿和后钙钛矿是难以解决与传统的自旋探测技术。另一方面，光学光谱对不同位置的高/低自旋亚铁/三价铁敏感;因此，它可以成为自旋跃迁的有力探针。在这里，我们建立了低自旋Fe 3 + O 6，一个合理的低自旋单位在bridgmanite和后钙钛矿，在金刚石对顶砧单元的光学吸收实验的光学签名。我们发现，在NAL（新铝相）的Fe 3 + O 6的光吸收是非常敏感的铁自旋状态，并代表了一个模型行为的bridgmanite和后钙钛矿在下地幔深部的自旋转变。具体而言，中心在~ 19000 cm-1的吸收带是NAL中低自旋Fe 3+在40 GPa下的2 T2 g到2 T1 g（2A 2g）跃迁的特征。这一新的光谱信息约束的低自旋Fe 3+的晶体场分裂能量~ 22200 cm-1，我们也独立地证实了我们的第一性原理计算。结合Fe 3 + O 6-化合物的电子结构信息，我们将Fe 3+在八面体场中的自旋配对能限制在~ 20000-23000 cm-1。这意味着八面体配位的Fe 3+在P > ~ 40 GPa时是低自旋的。
2016-10-04 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
Opaque Lowermost Mantle
地球/最低地幔显示出复杂的地质结构，可能是由于与地核的非均匀热和电磁相互作用造成的。核幔边界（CMB）区域的地球物理模型依赖于适当的地质材料的热导率和电导率，然而，从未在代表性的压力和温度（P-T）条件下进行过探测。在这里，我们报告的不透明度的单晶bridgmanite和铁方镁石，这是链接到他们的辐射和导电性，测量动态和静态加热的金刚石对顶砧单元，以及计算从第一原理在CMB条件。我们的研究结果表明，在可见光谱范围内的光吸收增强加热后，在这两种矿物，但不透明度随温度的变化率是一个因素的六高铁方镁石。因此，最低地幔中的硼镁石是中等透明的，而铁方镁石是高度不透明的。我们的测量结果表明，在最低的地幔中有一个非常低的（<1 W/m/K）和很大程度上与温度无关的辐射传导率，这与以前的研究不一致。这意味着辐射机制在整个地质时期对冷却地核没有显著贡献，并指出当今CMB的热流为9 - 11 TW。不透明的铁方镁石是导电的，介导了强烈的核幔电磁耦合，解释了十年内的振荡在一天的长度，在中太平洋低长期地磁变化，和地磁极反转的首选路径。
2019-09-03 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
