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
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
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
Influence of the iron spin crossover in ferropericlase on the lower mantle geotherm
铁方镁石中的铁自旋交叉在其热力学和热弹性性质中引入了异常。在这里，我们调查这些异常如何影响下地幔地热。在地幔聚合物组成的混合物的bridgmanite，铁方镁石，和CaSiO $_3$钙钛矿，不同的Mg/Si比从方辉橄榄岩钙钛矿（Mg/Si $\sim$ 1.5至0.8）的影响进行了检查。我们发现，引入的自旋交叉的异常增加等熵梯度，从而地热成比例的铁方镁石的量。在深下地幔条件下，该地热可高达$\sim$ 200 K，高于传统的绝热地热。聚合体弹性模量和地震速度也对自旋交叉和地热敏感，这影响下地幔速度和成分的分析。
2016-10-28 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
Employing magma ocean crystallization models to constrain structure and composition of the lunar interior
月球岩浆海洋凝固的过程对月球早期演化过程中形成的月球地幔中不同化学储层的性质提供了限制。我们使用相平衡模型相结合的月球岩浆海洋结晶的实验结果相一致，研究散装硅酸盐月球组成的月球地幔水库的性质的影响。我们发现，这些地幔储层的密度和相对比例，特别是晚期形成的含钛铁矿堆晶（IBC），强烈依赖于散装硅酸盐月球的FeO含量。这种关系对岩浆后的海洋地幔动力学和月球内部的质量分布有影响，因为致密的IBC形成于较浅的深度，但倾向于向核幔边界下沉。定量分析了月球块状硅酸盐FeO含量、IBC厚度与月球块状硅酸盐密度以及地幔地层与月球块状硅酸盐转动惯量之间的关系，以限制月球块状硅酸盐FeO含量和IBC下沉效率。结合地震和测月学对地幔地层学、核半径、核幔边界低速带范围的限制，考虑到当今的月温和对流引起的储层混合的影响，我们的模型表明，与地球地幔相比，月球的大块硅酸盐中仅适度富集FeO，并且含有约9.4 - 10.9wt%的FeO（下限为8.3重量%，上限为11.9重量%）。我们还得出结论，所观察到的块状硅酸盐月球的转动惯量要求IBC层通过地幔对流不完全下沉：只有20 - 60%的IBC物质可能到达了核幔边界，而其余的要么留在起源的深度，要么混合到中地幔。
2021-04-14 physics.geo-ph
Bullen's parameter as a seismic observable for spin crossovers in the lower mantle
铁方镁石中自旋交叉所产生的弹性反常现象已被第一性原理计算和高温高压实验所证实。然而，下地幔中这种自旋交叉的预测特征是微妙的，难以在地幔中进行电子学观察。事实上，与自旋转变相关的全球地震异常尚未在深地幔的地震学研究中得到承认。需要灵敏的地震参数来确定这种自旋交叉特征的存在和振幅。自旋交叉的影响布伦的参数，$η$，在这里进行评估的一系列组成，热配置文件，并在下地幔温度的横向变化。与铁方镁石中的自旋交叉相关的速度异常跨越了典型地幔温度的近1,000公里深度范围。正偏移的布伦参数与$\sim$ 0.03的最大幅度计算是存在于一个广泛的深度范围内的中到深的下地幔：这些是最大的橄榄岩和方辉橄榄岩成分。这些偏移幅度最高的模型下地幔与大的横向热变化，并与冷downperturbs有较长的横向长度尺度相对于热upperturbs。我们的结论是，预测的偏差在布伦的参数由于自旋交叉在铁方镁石的相关成分可能是足够大的，以解决在准确的地震反演这个参数，并可以揭示两个横向变化的温度在下地幔内的深度，和铁方镁石在深度。
2017-07-26 physics.geo-ph
New numerical approaches for modeling thermochemical convection in a compositionally stratified fluid
地幔的震波成像揭示了下地幔中的大尺度和小尺度的不均匀性;特别是非洲和南太平洋下方被称为大低剪切速度区（LLSVP）的结构。大多数解释认为，不均匀性是成分的性质，不同的组成从上覆地幔，解释是一致的化学地球动力学模型。持久的组成界面的数值模拟提出了挑战，甚至国家的最先进的数值方法。例如，当流体随着时间依赖的指进而迁移和扭曲时，用于平流成分界面的一些数值算法不能保持尖锐的成分边界，这是由于为了保持成分变量的上限和下限以及平流方法的稳定性而添加的数值扩散。在这项工作中，我们提出了两个新的算法，保持一个更清晰的计算边界比平流方法，目前公开提供给计算地幔对流社区，即不连续Galerkin方法与边界保持限制器和体积的流体界面跟踪算法。我们比较了这两种新方法与两种常用的方法，用于模拟地幔对流问题中两种不同的热驱动成分场的平流;也就是说，一种基于高-阶精确有限元方法平流算法，该算法采用人工粘性技术来维持组成变量的上界和下界以及平流算法的稳定性和携带代表每个成分场位置的标量的粒子。所有这四个算法都在开源FEM代码ASPECT中实现。
2017-03-07 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
Constraints on the composition and temperature of LLSVPs from seismic properties of lower mantle minerals
在这里，我们提供了一个潜在的LLSVP组合物的基础上改进的矿物模型，包括，例如，氧化铝的影响重新评估。我们还系统地研究了六个参数的影响：FeO和Al $_{2}$ O $_{3}$含量，比例的CaSiO $_{3}$和bridgmanite（使铁方镁石的比例隐含调查），Fe $^{3+}$ / $\sum$ Fe和温度之间的差异远场地幔和LLSVP。在研究的8100万个案例中，只有79000个案例解释了地震观测。然而，这些成功的情况涉及大范围的参数，例如，FeO含量在12- 25重量%之间，Al $_{2}$ O $_{3}$含量在3- 17重量%之间。然后，我们应用主成分分析（PCA），这些情况下，并找到两个强大的结果：（i）铁方镁石的比例应该是低的（$<$ 6体积\%）;（ii）形成的Fe $^{3+}$轴承bridgmanite比其他含铁相更有利。根据这些结果，我们确定了两个端员组合物，丰富的Bm和CaPv丰富，并讨论了它们的特点。最后，我们讨论了LLSVP形成的不同方案，并建议调查每个方案产生的矿物比例是评估其相关性的最佳方法。例如，原始岩浆海洋的凝固可能产生FeO和Al $_{2}$ O $_{3}$含量与我们的分析所建议的相似。然而，这种水库的矿物比例并没有很好的约束，可能包含更大比例的铁方镁石比我们的研究结果所允许的。
2020-11-23 physics.geo-ph
Compositional layering in Io driven by magmatic segregation and volcanism
岩浆分离和火山爆发将潮汐热从木卫一内部输送到其表面。几个观察到的喷发似乎是极高的温度（$\geq$ 1600 K），这表明要么非常高的熔化度，耐火源区，或大量的粘性加热上升。为了解决这种模糊性，我们开发了一个模型，耦合地壳和地幔动力学一个简单的组成系统。我们分析模型来研究化学结构和演化。我们证明，岩浆分离和火山喷发导致地幔的分化，其程度取决于如何容易高温熔体从更难熔的下地幔可以向上迁移。我们建议木卫一的最高温度喷发起源于下地幔区域，这种喷发的作用，以限制成分分化的程度。
2020-08-21 astro-ph.EP physics.geo-ph
The tetragonal-cubic transition of davemaoite: Implications for lower mantle seismic anomalies
Hawai'i Institute of Geophysics and Planetology, University of Hawai'i at Manoa（夏威夷大学马诺阿分校地球物理与行星学研究所）；Department of Earth and Planetary Sciences, Institute of Science Tokyo（东京科学大学地球与行星科学系）；SPring-8, Japan Synchrotron Radiation Research Institute（日本同步辐射研究机构 SPring-8）；National Synchrotron Light Source II, Brookhaven National Laboratory（布鲁克海文国家实验室国家同步光源二号）；Center for Advanced Radiation Sources, The University of Chicago（芝加哥大学先进辐射源中心）
本研究通过激光加热金刚石压砧实验发现CaSiO3钙钛矿的四方-立方转变温度远高于先前报道，钛替代进一步稳定四方相，可解释下地幔中部及底部的地震异常。
2026-09-09 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
ADEPTS: An auto-differentiable framework for time-dependent nonlinear thermo-chemical mantle convection inversion
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；Guangdong Provincial Key Laboratory of Geophysical High-resolution Imaging Technology, Southern University of Science and Technology（南方科技大学地球物理高分辨率成像技术广东省重点实验室）
本文提出ADEPTS，一个基于自动微分的地幔对流反演框架，通过比较展开与隐式微分策略，实现高维初始温度场和低维物理参数的联合反演。
2026-09-15 physics.geo-ph
Sulfur photochemistry observationally traces mantle redox states of rocky planets
University of Groningen（格罗宁根大学）；Academia Sinica（中央研究院）；University of Cambridge（剑桥大学）
研究不同类型岩石行星中，脱气与光化学如何共同决定大气组成。通过耦合PROTEUS框架与化学模型模拟，发现大气组成受地幔氧化还原状态和脱气历史控制，光化学影响高层大气，其产生的SO2特征可被JWST探测，为观测提供方向。
2026-07-17 astro-ph.EP physics.geo-ph
Tracking the evolution of magmas from heterogeneous mantle sources to eruption
本文利用实验研究和自然数据，评述了源区非均匀性、熔体-岩石反应和壳内分异对跨洋中脊、板内环境和俯冲带岩浆化学的影响。本文比较了辉石岩和橄榄岩的熔融行为及其对岩浆的贡献随成分、地幔位温和岩石圈厚度的变化。我们还讨论了命运的化学不同的熔体来自异质性，因为他们通过橄榄岩地幔旅行。使用近60，000天然主要元素组成的火山岩，熔融包裹体，结晶堆积，我们评估广泛的岩石成因趋势，尽可能大的全球数据集。与以前的研究一致，主要元素化学的洋中脊玄武岩（MORB）和它们的累积有利于一阶控制的壳内晶体-液体分离，而微量元素的研究强调的作用，熔体-岩石反应，突出两者之间的脱钩。洋岛玄武岩（OIB）表现出更大的组成变化比MORB，部分归因于大的变化在地幔源区的辉石岩的比例。然而，估计的比例有很大的差异不均匀性组成，熔融模式和地幔的热结构。对于弧，我们强调当前的观点的下行板的作用，到源的原生弧岩浆，和压倒一切的岩石圈作为一个岩浆化学过滤器和存储库的大量弧累积的作用。我们的方法，同时在一个大型的数据库中的火山岩+深地壳岩石在不同的构造环境强调了破译源信号与地壳内/岩石圈过程的挑战。
2020-01-03 physics.chem-ph 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
Blocked radiative heat transport in the hot pyrolitic lower mantle
核幔边界热流是了解地球热历史和演化的关键参数。QCMB的矿物学约束需要破译的贡献的晶格和辐射组件的热导系数在高压和高温下，在下地幔阶段与深度相关的组成。在这里，我们确定了一个现实的下地幔（地幔岩）的辐射电导率（krad）在原位使用超明亮的光探头和快速时间分辨光谱技术在激光加热金刚石对顶砧。我们发现，地幔不透明度增加临界加热到3000 K在40-135 GPa，导致一个意想不到的低辐射传导率随深度从~0.8 W/m/K在1000公里到~0.35 W/m/K在CMB，后者是约30倍小于估计的晶格热导系数在这种条件下。因此，辐射热传输被阻止，由于在热的下地幔中的光吸收增加，导致在温和的CMB热流~8.5 TW，在与目前的估计的基础上的地幔和核心动力学。这种温和的核心冷却率意味着一个内核年龄约1戈瑞，是兼容的热和成分驱动的古代地球发电机。
2019-11-11 cond-mat.other physics.geo-ph
From stars to diverse mantles, melts, crusts and atmospheres of rocky exoplanets
本综述阐述了预测岩石质系外行星成分与矿物学的逻辑，揭示了恒星丰度如何通过T-P-X矿物组合计算及地幔熔融过程影响行星地壳成分，并评估了观测光谱对探测这种成分差异的灵敏度。
2024-04-23 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.geo-ph
The influence of bulk composition on long-term interior-atmosphere evolution of terrestrial exoplanets
目的：类地行星的次级大气层是在地质时期与内部相互作用的结果而形成和演变的。我们的目标是量化的影响，行星的整体组成的内部-地球大小的类地行星的大气演化，以帮助解释未来的观测地球系外行星的大气。研究方法：我们使用的地球化学模型，以确定主要元素组成的行星内部（MgO，FeO和SiO2）的岩浆海洋结晶后，行星形成，预测的组成配置文件的内部作为我们的长期热演化模型的初始条件。我们的一维演化模型预测的压力-温度结构的内部，我们用来评估近表面的熔体生产和随后的挥发性放气。挥发物根据质量守恒在内部和大气之间交换。结果如下：基于Hypatia目录中报告的恒星组成，我们预测大约一半的岩石系外行星具有作为单层对流（全地幔对流）的地幔，另一半由于存在中地幔成分边界而表现出双层对流。双层对流是更有可能的行星与高块体行星铁含量和低镁/硅比。我们发现，低Mg/Si比的行星往往冷却缓慢，因为它们的地幔粘度高。因此，低Mg/Si的行星也倾向于通过广泛的熔化迅速失去挥发物。此外，岩石圈的动力学机制（板块构造与停滞盖）对热演化和挥发物循环具有一级影响。这些结果表明，地球外行星大气的组成可以提供信息的动力学制度的岩石圈和内部的热化学演化。
2020-10-05 astro-ph.EP physics.geo-ph
Deep-learning-based prediction of the tetragonal$\rightarrow$cubic transition in davemaoite
本研究利用深度学习模拟与热力学积分计算CaSiO₃钙钛矿在300-3000 K、最高130 GPa下的自由能，发现其在下地幔条件下仅存在立方相，从而否定Thomson等人提出的四方-立方相界，并指出中地幔地震异常需另寻机制解释。
2024-01-26 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Mapping deep-mantle compositional heterogeneity using a directional geoneutrino detector
Tohoku University（东北大学）；Research Center for Neutrino Science, Tohoku University（东北大学中微子科学研究中心）；Center for Geoneutrino Research, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences（中国科学院海洋研究所地球中微子研究中心）；Department of Earth Science, Tohoku University（东北大学地球科学系）；Department of Geological, Environmental, and Planetary Sciences, University of Maryland（马里兰大学地质、环境与行星科学系）；University of Maryland（马里兰大学）；High Energy Accelerator Research Organization (KEK)（高能加速器研究机构（KEK））
针对深地幔是否含有富放射性地幔储层（如LLVPs）的争议，提出通过定向地球中微子探测打破传统速率测量的简并性，并基于拟议的海底探测器（OBD）验证了区分化学均匀与非均匀地幔的可行性。
2026-06-16 astro-ph.EP astro-ph.IM hep-ex
Oscillation tomografy study of Earth's composition and density with atmospheric neutrinos
地球内部组成的知识与许多地球物理和地球化学问题密切相关。中微子振荡以一种非平凡的方式被物质效应所改变，不仅可以提供关于密度的宝贵和独特的信息，还可以提供关于行星深部区域的化学和同位素成分的信息。在本文中，我们重新审视的可能性进行振荡层析成像的地球与大气中微子和反中微子，以获得信息的组成和密度的外核和地幔，补充地球物理方法所获得的。特别注意的是，D $^{\prime \prime}$层的核幔边界和水（氢）在地幔过渡带的内容。我们的分析是基于中微子产生的类$μ$事件的能量和方位角分布的蒙特卡罗模拟。以PREM确定的55层等密度同心圆地球模型为参考，计算了外核和地幔成分和密度变化对地震数的影响。为了检验像ORCA这样的探测器解决这种变化的能力，我们在其中两个量的平面上构建区域，其中参考和修改后的地球之间的差异的统计显著性小于$1σ$。这些变化是以这样一种方式实现的，即由地球的总质量和它的转动惯量所施加的约束得到验证。
2022-07-23 hep-ph hep-th physics.geo-ph
A Pyroxenite Mantle on Mercury? Experimental Insights from Enstatite Chondrite Melting at Pressures up to 5 GPa
本文通过在最高5 GPa压力下对经修改的EH4 Indarch顽火辉石球粒陨石进行部分熔融实验，揭示水星若由此类球粒陨石形成，其地幔可能主要为辉石岩成分，且熔体成分与水星表面区域特征相符。
2025-04-14 astro-ph.EP 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
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
Composition, Structure and Origin of the Moon
Institute of Geochemistry and Petrology, ETH Zürich（地球化学与岩石学研究所，苏黎世联邦理工学院）；Department of Earth and Environmental Sciences, University of Rochester（地球与环境科学系，罗切斯特大学）；Institute of Geophysics, ETH Zürich（地球物理学研究所，苏黎世联邦理工学院）
本文通过地球物理和地球化学数据，探讨月球的组成、结构和起源，发现月球核心可能形成于特定条件，且月球与地球地幔可能由同源物质构成。
2024-08-29 astro-ph.EP physics.geo-ph
Lava World: Exoplanet Surfaces
最近对熔岩世界表面反射的首次测量为研究岩石行星演化的不同阶段提供了前所未有的机会。岩石熔岩世界系外行星表面的光谱特征可以深入了解它们的演化，地幔成分和内部运作。然而，目前还没有数据库包含广泛的潜在系外行星表面物质的光谱反射率和发射。在这里，我们首先合成了16个潜在的系外行星表面，涵盖了广泛的化学成分，这些化学成分基于由不同宿主恒星的金属丰度指导的潜在地幔物质。然后，我们测量了它们的红外反射光谱（2.5 - 28 μm，350 - 4000 cm^{-1}），从中我们可以获得它们的发射光谱，并建立了组成与8 μm处的强光谱特征--克里斯蒂安森特征（CF）之间的联系。我们的分析表明，一个新的多组分组成与CF的关系，以及与系外行星地幔的二氧化硅含量的相关性。我们还报告了我们材料的矿物学，作为熔岩世界的可能性。这个数据库是一个工具，有助于解释詹姆斯韦伯太空望远镜和未来任务将收集的熔岩世界的未来光谱
2022-10-06 astro-ph.EP physics.geo-ph physics.space-ph
Metal-silicate partitioning of W and Mo and the role of carbon in controlling their abundances in the Bulk Silicate Earth
在核心形成期间钼和钨的液态金属-液态硅酸盐分配必须受到很好的约束，以了解地球和其他行星体的演化，特别是因为Hf-W同位素系统用于确定早期行星演化的日期。我们结合48个新的高压和高温实验结果与以前的实验的综合数据库，重新审视钼和钨分区的系统学。W分配是特别敏感的硅酸盐和金属熔体组合物，并成为更多的亲铁性随着温度的升高。我们表明，W具有6+氧化态的硅酸盐熔体在整个实验fO 2范围内的$Δ$ IW-1.5至-3.5。Mo具有4+氧化态，其分配对硅酸盐熔体组成不太敏感，但也取决于金属熔体组成。DMo随着地球深度的增加而保持近似恒定。随着金属中C含量的增加，W和Mo都变得更亲铁，因此我们拟合了相互作用参数。W和Mo与C一起被纳入一个组合的N体增生和核幔分异模型。我们表明，W和Mo需要早期增生地球是贫硫和富碳，使W和Mo有效地分配到地球的核心，不积累在地幔中。如果是这样的话，产生的类地行星具有地幔成分匹配的BSE的所有模拟元素。然而，在文献中有两组不同的估计散装地幔的碳丰度：低（100 ppm），和高（800 ppm），所有的模型是一致的较高的估计碳丰度。低BSE C丰度将是可以实现的，当考虑到分离的分散的金属液滴产生于深岩浆海洋中的Fe 2+到Fe 3+加金属Fe的结晶作用。
2022-10-25 astro-ph.EP physics.geo-ph
Post-aragonite phases of CaCO$_{3}$ at lower mantle pressures
下地幔条件下碳酸盐矿物的稳定性、结构和性质对我们理解全球碳循环和地球内部组成有重要影响。近年来，人们对下地幔条件下碳酸盐岩的行为，特别是它们的碳杂化产生了极大的兴趣，这与深部地幔中碳的储存有关。使用高压同步辐射X射线衍射在金刚石压砧单元耦合直接激光加热的CaCO $_{3}$使用CO $_{2}$激光器，我们确定的结晶相的材料高于40 GPa $-$对应的下地幔深度约1,000公里$-$已首先预测的\textit{ab initio}结构预测。在40 GPa下观察到的$sp^{2}$碳杂化物质是具有$P2_{1}/c$对称性的单斜晶系，并且在高达50 GPa下是稳定的，在50 GPa以上，它转变成不能由现有已知相索引的结构。结合\textit{ab initio}随机结构搜索（AIRSS）和准谐波近似（QHA）计算，重新探索CaCO富相图的相对相稳定性$_{3}$。采用弹性带（NEB）方法研究了$_{3}$相关晶相之间的反应机理，并推测该矿物能够发生$sp^{2}$杂化变化，其杂化变化完全发生在$P2_{1}/c$结构$-$中，而放弃了已被接受的后文石$Pmmn$结构。
2018-01-17 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
