Electrical Conductivity of Iron in Earth's Core from Microscopic Ohm's Law
了解铁在高温高压下的电子输运性质对于约束地球物理过程至关重要。在地核条件下可靠地测量这些特性的困难要求能够支持诊断的复杂理论方法。我们目前的结果的电导率的压力和温度范围内发现在地球的核心从模拟微观欧姆定律使用时间相关的密度泛函理论。我们的预测为解决最近实验中的差异提供了新的视角。
2022-03-11 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Transport properties for liquid silicon-oxygen-iron mixtures at Earth's core conditions
我们报告的热和导电性的两种液体硅-氧-铁混合物（Fe $_{0.82}$ Si $_{0.10}$ O $_{0.08}$和Fe $_{0.79}$ Si $_{0.08}$ O $_{0.13}$），代表地球的外核的组成在相关的压力-温度条件下，从密度泛函理论计算与Kubo-Greenwood公式。我们发现导热系数$k$ =100（160）W m $^{-1}$ K $^{-1}$，以及外核顶部（底部）的电导率$σ= 1.1 (1.3) \times 10^6 Ω^{-1}$ m $^{-1}$。这些新的数值比以前的估计高出2至3倍，对我们理解地球的热历史和地球磁场的功能，包括整个地核的快速冷却速度或地核中高水平的放射性元素具有深远的影响。我们还展示了一些混合物的结构和动力学性质的结果，包括部分径向分布函数，均方位移，粘度和声速。
2012-11-20 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Fe-FeH Eutectic Melting Curve and the Estimates of Earth's Core Temperature and Composition
本研究通过激光加热金刚石对顶砧实验获得Fe-FeH共晶熔化曲线，估算轻元素对地核液相线温度的影响，提出硅含量低的地核可能存在相对较低的温度，为外核密度亏损提供合理解释。
2024-05-16 cond-mat.mtrl-sci 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
Electrical and Thermal Conductivity of Earth's Iron-enriched Basal Magma Ocean
本研究利用第一性原理分子动力学计算，探究铁富集对基底岩浆洋硅酸盐液体电导率与热导率的影响，并模拟了地球基底岩浆洋的热演化与磁演化。
2025-08-01 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Thermal conductivity and electrical resistivity of solid iron at Earth's core conditions from first-principles
计算了六方铁的热导率和电阻率对地核压力和温度的响应。我们发现显着的贡献，从电子-电子散射，通常被忽视的过渡金属在高温下。我们的计算表明，在极高的压力下，六方铁的电阻率和温度之间的准线性关系。我们得到的热导率和电导率，考虑合理的误差与实验一致。预测的热导率从以前的估计，忽略电子-电子散射减少。我们估计外核的热导率为77 $\pm$ 10 W/m/K，与热对流驱动的地球发电机一致。
2018-08-28 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Assessing foundational atomistic models for iron alloys under Earth's core conditions
Xiamen University（厦门大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）
研究评估了最新基础原子模型在地核极端压力温度下模拟铁合金的能力，发现MACE模型在描述铁相稳定性方面存在偏差，指出当前模型在热电子激发处理上的不足。
2026-09-24 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Xenon Reacts with Iron at the Conditions of the Earth's Core
对地球大气层的研究表明，与南极陨石中丰富的氙相比，超过90%的氙（Xe）已经耗尽。这一长期存在的缺失的水库悖论已成为相当感兴趣的主题，并已提出了几个水库水库模型。失踪的外星人是否藏在地核里一直是一个悬而未决的问题。解决这一问题的关键在于铁与铁（Fe，地球核心的主要成分）的反应性，这一点已被早期的研究所否定。在这里，我们报告的第一个证据的化学反应的铁和铁在地球的核心条件下，预测通过第一性原理计算和公正的结构搜索技术。结果表明，在183 GPa以上和4470 K时，Fe 3+和Fe形成了稳定的金属间化合物XeFe 3，具有Cu 3Au型面心立方结构。由于电子-> Fe的电荷转移，铁失去了它的化学惰性，打开了充满的5 p电子壳层，并作为一个5 p类元素，而Fe是不寻常的负电荷，作为氧化剂，而不是还原剂。我们的工作确定了地球的核心是一个天然的水库，储存二氧化碳，并可能提供了解开失踪的二氧化碳悖论的钥匙。
2013-11-14 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
Tetragonal Fe2O: the stable iron oxide at Earth's core conditions
Xiamen University（厦门大学）；Iowa State University（爱荷华州立大学）；The University of Hong Kong（香港大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）
研究发现四方Fe2O在地球核心条件下稳定，可能改变对核心组成和结构的理解。
2025-12-03 cond-mat.mtrl-sci 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
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
Light matter in the core of the Earth: its identity, quantity and temperature using tricritical phenomena
地球富含铁的核心中的轻元素是地球演化的重要指标。它们的数量和分布，以及地核的温度，对于理解地核和地幔如何相互作用以及模拟产生行星磁场的地球发电机是必不可少的。然而，围绕着轻元素的身份和数量存在着长期的争议。在这里，三临界现象的理论是作为一个精确的理论框架来研究在高压和高温下的凝固，实验和数值方法都是复杂的实施，并有很大的不确定性，在他们的结果。将该理论与最可靠的铁熔化数据和初步参考地球模型（PREM）地震资料相结合，获得了实际堆芯熔体中纯铁和铁与轻元素的合金在内核边界（ICB）处的凝固温度。人们还发现轻物质的量约为2.5摩尔%。此外，还求出了固态和液态纯铁在熔化温度下的密度，从而可以得到轻物质的密度，并由此确定其为MgSiO_3。
2008-07-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech physics.geo-ph
Liquid Water on Cold Exo-Earths via Basal Melting of Ice Sheets
液态水是可居住性的关键组成部分。然而，在宜居带之外的行星上，没有足够的温室效应，表面液态水的产生和稳定性可能是一个挑战。在这样寒冷的冰系外地球上，地热导致的区域性、全球性冰盖的底部融化提供了形成液态水的另一种方式。在这里，我们模拟冰盖的热物理演化，以确定地球物理条件，使液态水的生产和维持在温度以上的压力控制的水冰在exoEarths的冰点。我们表明，即使有一个温和的，像月球一样的地热流，冰下海洋的液态水可以形成在底部和内部的冰盖对exeEarths。此外，冰下海洋可能会在地球外部持续很长一段时间，因为地热产生的热量元素的半衰期为10亿年。这些冰下海洋经常与行星的地壳接触，并被厚厚的冰层屏蔽了母星的高能辐射，可能会在很长一段时间内提供可居住的条件。
2022-12-07 astro-ph.EP 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
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
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
Earth's accretion inferred from iron isotopic anomalies of supernova nuclear statistical equilibrium origin
陨石中的核合成铁同位素异常可以用来重建太阳系早期的动力学演化，并确定建造行星的物质的起源和性质。使用高精度的铁同位素数据的23个铁陨石从9个主要的化学组，我们表明，所有的铁陨石显示相同的基本二分法之间的非碳质（NC）和碳质（CC）陨石以前观察到的其他元素。Fe同位素异常主要是由54 Fe的变化产生的，其中所有CC铁陨石的特征是相对于NC铁陨石的54 Fe过量。在相同的CC陨石群中观察到54 Fe的过量伴随着58 Ni的过量。总之，这些过剩的54 Fe和58 Ni是由Ia型超新星或核坍缩超新星的Si/S壳层中的核统计平衡产生的。新的Fe同位素数据显示，地球地幔的图上或接近铁陨石中Fe，Mo和Ru同位素异常所定义的相关性，表明在整个地球的吸积过程中，其构建块的同位素组成并没有急剧变化。虽然地球地幔的Fe同位素组成与Cl-辉长岩相似，但后者与地球地幔的其他元素明显不同（例如，大地，是大地的一部分，是大地的一部分。CI榴辉岩相对于地幔表现出较大的Cr和Ni同位素异常，这一事实表明CI榴辉岩不太可能为地球贡献大量的Fe。
2021-10-12 astro-ph.EP astro-ph.HE physics.geo-ph
Large Impacts onto the Early Earth: Planetary Sterilization and Iron Delivery
后期在冥古宙地球上的吸积包括可能影响早期可居住性的巨大撞击，要么通过消毒地球，要么通过提供创造还原环境/大气所需的铁来催化生命的起源。我们提出了3D数值模拟1500-3400公里直径的影响早期地球，以量化其对行星可居住性的影响。我们发现，消毒撞击事件需要比以前假设的更大的射弹，需要一个直径为2000-2700公里的撞击物来完全融化地球表面，并推断需要一个直径大于700公里的撞击物来蒸发海洋。我们还发现，还原环境不太可能在大规模撞击后出现，因为超过70%的抛射铁沉积在地壳和上地幔中，无法立即减少地表水并有助于形成还原性大气。虽然预期最大的晚期吸积撞击（约1个月球质量）向大气中输送了足够的铁，减少了整个海洋的水，但这种撞击也会融化整个表面，可能会隔离凝结的铁，而这些铁不会很快被氧化。生命是在大撞击之后出现的这一假设需要一种有效的机制来利用地壳/地幔中铁的还原能力，或者需要一种在较弱还原性的撞击后环境中运作的生命途径的起源，这种环境需要较少数量的撞击传递的铁。
2022-01-23 astro-ph.EP 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
Electronic correlations and transport in iron at Earth's core conditions
地球内核条件下的铁的传输特性是地球物理建模的基本输入，但实验约束很差。在这里，我们表明，在这些条件下的铁的热导率和电导率仍然很高，即使电子-电子散射（EES）是适当考虑。这一结果是通过从头计算模拟，同时考虑到一贯的热无序和电子相关性。热无序抑制了体心立方铁相的非费米液体行为，因此降低了EES;该相的总计算热导率为220 Wm $^{-1}$ K $^{-1}$，EES降低不超过20%。EES和电子晶格散射交织在一起，导致随着EES的增加而打破Matthiessen规则。在六方密堆积铁的EES也没有增加热无序，仍然很弱。因此，我们的主要发现适用于内核中两种可能的铁相。
2020-08-14 cond-mat.str-el physics.geo-ph
Fermi-liquid behavior and thermal conductivity of ε-iron at Earth's core conditions
热态致密铁的电子态和输运性质在电子物理学中具有极其重要的意义。结合密度泛函和动力学平均场论，我们研究了电子相关性对六方密排$ε$ -Fe在地核条件下的电阻率和热阻率的影响。发现$ε$ -Fe表现为近乎完美的费米液体。费米液体中的散射率的二次依赖性导致修改的Wiedemann-Franz定律与抑制的热导率相比，电的。这显着增加了电子-电子热阻率，这被认为是相当的幅度的电子-声子之一。地球的核心动力学的影响进行了讨论。
2016-05-23 cond-mat.str-el 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
Melting phase relation of seifertite and pyrite-type SiO2 determined by machine learning potentials
本研究利用机器学习势模拟确定SiO2高压相的熔融曲线和相边界，发现SCAN泛函预测的熔融温度和转变压力更高，负Clapeyron斜率暗示超级地球地幔对流分层，影响其热演化和宜居性。
2025-10-15 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Anomalous thermal properties and spin crossover of ferromagnesite (Mg,Fe)CO3
铁菱镁矿（Mg，Fe）CO3，在高铁浓度下也称为镁菱铁矿，是菱镁矿（MgCO3）和菱铁矿（FeCO3）的固溶体。铁菱镁矿被认为是通过俯冲作用进入地球下地幔的，被认为是地球下地幔中主要的碳载体，在地球深部碳循环中起着关键作用。实验表明，在下地幔压力范围内，铁菱镁矿经历了压力诱导的自旋交叉，伴随着体积和弹性异常。本文采用第一性原理计算研究了（Mg，Fe）CO3的热性质。研究表明，铁磁菱镁矿的几乎所有热性质都被铁的自旋交叉所改变，包括体积的反常减小、体积模量的反常软化、热膨胀、热容和Guneisen参数的反常增加.值得注意的是，热容量的异常在高温下仍然很突出（高达40%），而没有涂抹出来，这表明铁自旋交叉可能会显着影响俯冲板的热性质和地球深部碳循环。
2020-12-24 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Decaying shock studies of phase transitions in MgOSiO2 systems: implications for the Super-Earths interiors
本文报道高压下方镁石（MgO）、顽火辉石（MgSiO_3）和镁橄榄石（Mg_2SiO_4）相图的实验研究。用激光驱动衰减激波测量了MgO、MgSiO_3和Mg_2SiO_4在0.2 - 1.2TPa、0.12 - 0.5TPa和0.2 - 0.85TPa范围内的压力-温度曲线。在0.47 TPa和9860 K下观察到MgO中的熔融特征，而在MgSiO3和Mg2SiO4中均未观察到相变。在0.55TPa-12760K、0.15TPa-7540K、0.2TPa-5800K范围内，MgO、MgSiO3和Mg_2SiO_4液体的反射率分别增加。与SiO2相反，这些化合物的熔化和金属化不一致，这意味着在熔化线附近存在导电性差的液体。这对超级地球地幔发电机的产生具有重要意义。
2016-04-06 astro-ph.EP 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
Thermal convection in Earth's inner core with phase change at its boundary
内核的平移，在一个半球上凝固，在另一个半球上熔化，为理解内核的半球形二分法提供了一个有希望的基础，以及在外核底部观察到的异常稳定层-F层-这可能是由内核材料的持续熔化所维持的。本文详细研究了考虑内核边界动态融化和冻结时内核热对流的动力学问题。如果内核是不稳定分层的，线性稳定性分析和数值模拟一致地表明，只有当粘度$η$足够大时，平移模式才占主导地位，具有$3 10^{18}$ Pas级的临界粘度值，取决于外核对流供应或去除熔化或凝固的潜热的能力。如果$η$较小，则融化和冻结的动力学效应较小。对流采取了更经典的形式，在发病和混乱的羽流对流在大瑞利数的单细胞轴对称模式。[...]热对流要求在内核中保持超绝热温度分布，这取决于通过传导提取内核内部热量与在ICB处冷却之间的竞争。在Stacey & Davis（2007）提出的低热导系数值下，内核热对流很可能出现，但在最近提出的高得多的热导系数下，内核几乎不可能出现热对流。然而，我们认为，形成的富铁层以上的ICB可能有一个积极的反馈内核对流：这意味着内核结晶从一个越来越富铁的液体，导致不稳定的成分分层，可能会驱动内核对流，也许即使内核是亚绝热。
2013-06-11 physics.geo-ph
Local magnetic moments in iron and nickel at ambient and Earth's core conditions
一些布拉维晶格具有特殊的几何形状，由于带结构的性质，可以通过预局域化来减慢布洛赫电子的运动。另一个已知的固体中电子局域化的来源是部分填充的d或f轨道中的库仑排斥，这导致局部磁矩的形成。这两种效应的组合通常被认为与强相关材料无关。在这里，我们表明，它代表，相反，在两个最重要的铁磁体：镍和铁的基本物理机制。在镍中，范霍夫奇点对磁性有意想不到的影响。结果，电子-电子散射率与温度成线性关系，这违反了传统的朗道金属理论。即使在地球核心的压力下，铁也是一种良好的费米液体。因此，镍在地磁模型中的重要性可能需要重新考虑。
2017-07-12 cond-mat.str-el physics.geo-ph
Influence of oxygen on electronic correlation and transport in iron in the outer Earth's core
结合分子动力学、密度泛函理论和动力学平均场理论，研究氧杂质对液态外地核铁的电子关联与输运的影响，发现电子关联增强但电导率仅降10%、热导率降18%，并揭示热导率更大抑制及Lorenz比降低的机制及其地球物理意义。
2023-04-27 cond-mat.str-el physics.geo-ph
Thermal Induced Structural Competitiveness and Metastability of Body-centered Cubic Iron under Non-Equilibrium Conditions
本研究通过ab initio计算揭示，在非平衡高温条件下，BCC铁因能量下降、声子稳定及高振动熵而具有结构竞争性与亚稳性，为理解地球内核及实验中的铁相变与凝固提供了理论框架。
2024-12-31 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Simulations of micrometeoroid interactions with the Earth atmosphere
微流星体（尺寸在几个$μ$ m到$\sim$ 1 mm之间的宇宙尘埃）在每年流向地球的地外物质流中占主导地位。我们调查微流星体穿越大气层时发生的物理过程的范围。我们计算的时间（和高度）依赖的质量损失，能量平衡，和动态，以确定哪些过程决定他们的生存范围的进入条件。建立了一个微流星体与大气相互作用的通用数值模式。对于不同的进入条件（例如初始半径、入射速度和角度），同时求解运动、能量和质量平衡方程。在能量方程和质量平衡中考虑了几种不同的物理过程，以便了解它们在微流星体-大气相互作用期间的相对作用和演变。特别是，分析微流星体的热历史，我们包括在能量平衡：与大气粒子的碰撞，微流星体辐射发射，蒸发，熔化，溅射和烧蚀质量的动能。低的进入速度和掠入射角有利于微流星体的生存。在那些幸存下来的，我们的模型区分（1）微流星体谁达到熔化温度和熔化是最有效的质量损失机制，和（2）微流星体的烧蚀由于蒸发造成的大部分质量损失。熔化是最有效的冷却机制。溅射引起的质量损失可以忽略不计。
2013-02-18 astro-ph.EP physics.geo-ph physics.space-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
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
Ultrahigh-Pressure Magnesium Hydrosilicates as Reservoirs of Water in Early Earth
地球上水的起源是一个长期存在的谜团，需要对含水化合物进行全面的研究，这些化合物在地球深处的条件下稳定，并由地球丰富的元素组成。以前的研究通常集中在地幔压力-温度条件的当前范围内，而忽略了过去可能存在的差异，例如核幔分离的阶段。在这里，使用从头进化结构预测，我们发现只有两个镁氢硅酸盐相是稳定的兆巴压力，$α$-Mg $_2$ SiO $_5$ H $_2$和$β$-Mg $_2$ SiO $_5$ H $_2$，稳定在262 - 338 GPa和> 338 GPa，分别（所有这些压力现在位于地球的铁核心）。两者都是准一维质子扩散在相关条件下的超离子导体。在地球历史的前3000万年，在地核形成之前，它们一定存在于地球中，容纳了地球的大部分水。当致密的铁合金分离形成地核时，Mg $_2$ SiO $_5$ H $_2$相分解并释放出水。因此，现已灭绝的Mg $_2$ SiO $_5$ H $_2$相很可能对我们星球的进化做出了重大贡献。
2022-01-30 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Electronic correlations in dense iron: from moderate pressure to Earth's core conditions
基于最近的从头算研究，采用动态平均场论（DMFT），我们讨论了动态多电子效应在铁和富铁固体合金物理中的作用。第一节讨论了中等压力范围内（60 GPa）铁的电子关联。基于DMFT的方法预测，在从体心立方（bcc）α-Fe到六方密堆积（hcp）ε-Fe的压力诱导跃迁处，电子相关性增强。特别地，电子有效质量、散射率和电子-电子对电阻率的贡献在转变点处经历阶梯式增加。人们还发现了一个显着的多体修正的ε-Fe状态方程，从而澄清了以前的DFT研究和实验之间的差异的起源。电子拓扑转变的预测将诱导在ε-Fe的多电子效应，其实验签名进行了分析。下一节着重于地球内核（EIC）与360 GPa的极端压力和高达6000 K的温度相结合的物理相关的压力-温度状况。三个铁的同素异形体（体心立方，六方晶系和面心立方）以前提出的可能的稳定相在这样的条件下被发现表现出定性不同的多电子效应，证明了一个强烈的非费米液体金属状态的体心立方铁和几乎完美的费米液体的情况下，六方晶系铁。本文详细介绍了近年来有关六方铁在EIC条件下的电子态和输运性质的讨论。我们还讨论了Ni混合物的影响，这是预计将存在于核心问题。最后，我们概述了目前的DMFT为基础的框架和进一步发展的前景方向的一些局限性。
2019-09-18 cond-mat.str-el physics.geo-ph
Pressure dependence of liquid iron viscosity from machine-learning molecular dynamics
本研究开发机器学习势并结合纳秒级分子动力学模拟，精确测定了全外核条件下液态铁的粘度，发现粘度约为10s mPa.s且Einstein-Stokes关系不适用，为地球物理建模提供了粘度图。
2025-06-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.geo-ph
Oxygen in the Earth's core: a first principles study
基于密度泛函理论的第一性原理电子结构计算已被用于研究在地核条件下铁和氧的固溶体和液态合金的热力学、结构和输运性质。这项工作的目的是确定氧浓度，以解释推断的外核中的密度，以探测液体的稳定性对相分离，以解释在液体中的键合，并找出是否粘度显着不同的纯液态铁在相同的条件下。结果表明，所需的氧浓度在25-30摩尔%的范围内，并证明了在这些条件下的相稳定性。Fe-O键是部分离子键，但具有较强的共价成分。其粘度低于地球核心条件下的纯液态铁。它示出，早期的第一性原理计算表明非常大的形成的固溶体的晶体结构可能需要重新解释，因为假设的晶体结构是不是最稳定的氧浓度的利益。
1998-09-24 cond-mat 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
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
Shock-darkening in ordinary chondrites: determination of the pressure-temperature conditions by shock physics mesoscale modeling
我们使用iSALE冲击物理代码确定了普通陨石中的冲击变暗压力范围。本文模拟了不同名义压力下样品层中的平面激波。铁和陨硫铁颗粒在样品层的多孔橄榄石基质中被解析。我们使用状态方程（Tillotson EoS和ANEOS）和基本强度和热性能来描述材料相。我们使用拉格朗日示踪剂记录每个材料单元中的峰值冲击压力。在冲击波通过后和在异质材料中的晶界处的冲击反射后，估计每种材料的冲击后温度（和经历高于熔点的温度的示踪剂的分数）。结果表明，与陨硫铁熔体和橄榄石熔体的开始相关的冲击变暗发生在40和50 GPa之间，其中52 GPa是陨硫铁材料中的所有示踪剂达到熔点的压力。我们证明了铁的冲击加热的困难和孔隙率的重要性。材料阻抗，晶粒形状和孔隙度模型可在iSALE代码进行了讨论。我们还讨论了可能的非冲击相关的触发铁熔化。
2017-07-26 astro-ph.EP physics.geo-ph
Interior structure of Mars and other rock-and-iron planetary bodies
这里展示了如何通过使用岩石密度和地球已知的核心密度的某些方面以及使用富铁核心的对流原理来找到各种岩石和铁行星体的内部结构。对流使核心流体内部的密度和温度梯度最小化。如果在核-幔边界处，核流体的密度接近纯铁熔化密度，并且在内核边界处，密度对于富铁熔化物具有可能的最小值，则可以实现这一点。对于纯铁和具有最大轻杂质的铁的临界铁密度先前利用具有最可靠的实验标度的朗道一级相变理论获得。行星的内部密度是通过在小的径向步长中迭代计算重力和压力而得到的。转动惯量因素也计算和同意的机构，我们有准确的测量：月球，火星和水星。此外，还对系外行星Kepler-78 b、K2- 229 b和Kepler-10 b进行了计算。它们的核心都有富含铁的液体。较轻的太阳系天体没有内核，但最重的两颗系外行星在内核内有一个纯铁最内层的内核。计算了半径-质量平面内增长的内核的参数范围。随着内核的生长而产生的磁场保护着地球上的生命，对系外行星也是如此。这指导了在寻找生命的过程中选择系外行星进行研究。
2018-11-22 astro-ph.EP physics.geo-ph
Redox hysteresis of super-Earth exoplanets from magma ocean circulation
内部氧化还原反应可能会不可逆转地改变地幔成分和地球和超级地球系外行星的挥发性库存，并影响大气观测的前景。然而，这些机制的全球效力取决于还原铁从熔融硅酸盐地幔向金属核的转移。标度分析表明，亚海王星内部岩浆海洋的湍流扩散可以动力学夹带液态铁液滴和淬火核心的形成。这表明，核，地幔和大气之间的化学平衡可能是积极的限制在岩浆流的对流翻转。因此，熔融的超级地球可能保留了其吸积路径的成分记忆。岩浆海洋环流对氧化还原的控制与行星热流、内部重力和行星大小呈正相关。因此，大气剥离的系外行星的存在和物种形成，表面矿物学和核心质量分数可能会限制岩浆海洋动力学。
2021-05-24 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
