地球外核动力学性质研究

第1期中国科学基金成果简介地球外核动力学性质研究张毅刚(中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029)[关键词]外核,液态铁,粘滞度地球的外核处于地球29005100km深度之含水,95ml%的水将与铁作用,形成FeH2,这样间,处于液态。而从51006371km处的内核为固60%的密度缺口可以有氢的加入来弥补态研究地核轻元素组成对认识地球形成和演化具在整个地球演化过程中,地球外核起着极其重有极其重要的意义。它与地球初始形成时的星子堆要的作用。首先,它是地球磁场的来源,通过外核液积模式( accretion model)和随后进行的岩浆海模式态铁的流体运动(G∞ dynamo),产生磁场。地球磁场( magma ocean model)密切相关。本文认为,在研究外与我们的日常生活密切相关,它能够保护我们不受核的动力学状态时,除了考虑纯铁外,还需考虑所有宇宙带电粒子的侵袭,是进行航海的方向标。在建其他元素的可能影响。立板块构造学说过程中,地球磁场在大洋板块中留2外核的温度和压力下的痕迹曾起了决定性作用。其次,地球内核的逐步冷却产生的热量,通过外核到达核幔边界造成核对于地核压力的分布目前有较清晰的认识幔相互作用。近年来,核幔边界的研究成为热点,人般认为核幔边界( Core Mantle boundary,CMB)的压力们推测大洋板块下插后能够沉降到核幔边界为135cpa(压力单位1cpa=10Pa=10bar≈104大D’),地幔柱来源于核幔边界。因此,研究外核的气压),而内核和外核边界(ICB)的压力为330Gpao动力学性质是认识整个地球演化的重要组成部分。与此相反,对地核内部温度的分布却有较大的分歧。以下我们首先考察一下地球外核的物质组成和由于地球内外核处于液固平衡,故主要工作集中在所处的温度压力状态,在此基础上,介绍有关外核所确定铁在330cpa下的熔化温度上处的动力学状态方面的研究Poirier等人通过理论研究认为在ICB压力下1地球外核物质成分纯铁的熔化温度约6000K,考虑到轻元素的影响,认为ICB的温度约为500K。Yo0等人8通过实验地球外核的主要成分为铁。由于外核的密度比得到在30cpa时,铁的熔化温度为(6830±500)K。纯铁轻10%,因此还必须考虑各种较轻元素的存Dy等人9对这方面的工作做了总结。 Belonoshko在,如:0,s,C,S和H。但外核以什么较轻元素为等人0的分子动力学计算得出的LB温度超过主却有较大的争议8000K。Williams等人通过考察体积弹性模量和氧逸对外核动力学性质的研究需要在以上的温度和度,认为硅不可能是外核中最主要的轻元素。Ale压力区间来考虑。gre等人(2,却认为硅是最主要的轻元素。L等人4实验研究表明,硫随压力增加变得更亲铁中国煤化( siderophile),有可能是外核最主要的轻元素。GesCNMHG究对象的成分及其所mann等人5的工作表明硅和氧均不可能是地核的处的温度和压力的大致范围,在此基础上,可以开始主要轻元素。 Okuchile6认为如果初始地球的岩浆海研究外核的动力学性质。本文于1999年7月29日收到中国科学基金2000年外核处于不断的流动状态,动力学性质包括扩够使该系统的粘滞度到107Pa·s。但在外核温度和散系数、粘滞度、热导率、电导率等,其中最主要的动压力下该系统的行为是否仍然如此现在无法知道。力学性质是粘滞度。粘滞度反映的是物质流动快慢近期的理论计算表明S对液态铁的粘滞度影响不方面的性质,主要有2种,即剪切粘滞度( shear vis-大121,而0甚至会降低FeO系统的粘滞度2cosy和体粘滞度( bulk viscosity)。剪切粘滞度是模研究流体流动与电磁场相互作用的学科叫做磁拟外核地核发电机的基本参数2。体粘滞度则流体力学( magnetohydrodynamics)为研究地核发电主要应用于考察物质对地震波的吸收。机的具体过程,需要解一系列复杂的非线性偏微分目前,地球外核粘滞度的具体数值存在很大的方程。其中所要考虑的力包括科里奥利力、粘滞力争议1对前人的研究做了概要性总结。各和洛伦兹力。其中粘滞力和科里奥利力的相对重要种估计方法所得结果的差异达到104级。这些结果性可以用 Ekman数来表达。 Ekman数的定义为可以分为2种,一种是通过各种方法进行理论计算,v/(2),其中为粘滞度,p为流体密度为地球另一种则是实际观测。旋转速度,L为流体厚度。通过计算表明在外核中首先在剪切粘滯度方面,通过各种液态金属理相对于科里奥利力,粘滞力可以忽略不计。外核处论计算得出的值大约为10-2Pa·sl4-16。最近,De于一种小尺度的循环和紊流状态,而不是大尺度的Wjs!使用 first-principle分子动力学方法计算了液整体循环。外核液态铁较小的粘滞度还对进行地核态铁在外核条件下的剪切粘滞度。他们使用的方法发电机( geodynamo)的模拟造成了很大的麻烦。在是首先获得扩散系数,然后利用 Sutherland-Einstein处理边界条件时,小粘滞度需要较高的解析度,从而公式间接获得剪切粘滞度。得出的结果与上述利用使计算时间大大提高。许多研究者正在进行这方面各种液态金属理论得出的结果类似。hang等人的努力以解决这一问题(1利用经验的 embedded-atom势能进行了分子动力学在体粘滞度方面, Anderson(2根据双态理论计算。他们分别利用了 Sutherland- Einstein和 Green,( (two-state theory)估计外核的体粘滞度大约为10Kbo两个公式计算剪切粘滞度。两种方法所得结100Pa·s6hang等人3.首次利用分子动力学方果基本一致,也为10-2Pa,s左右。法计算了在外核温压条件下液态铁的体粘滞度,得在25℃和1大气压下,水的粘滞度为894×出的结果为10-3-104Pa.s这与 Anderson的结104Pas,水银为1.55×103Pas,60%蔗糖+水为果有很大的不同。 Nasch等人对Fe5%N10%S565×102Pa·s,甘油为0.5450Pa·s,蓖麻油为系统的研究表明S不仅有效地增加系统的粘滞度,1.0300Paso因此,外核的剪切粘滞度实际上很小,而且对体粘滞度的增加大于对剪切粘滞度的增加,介于我们日常生活所熟悉的水和甘油之间。液态铁所得纵粘滞度( longitudinal viscosity)中体粘滞度为主在外核温压条件下的粘滞度值也与它在常压下的粘要部分。外核温压条件下轻元素对体粘滞度的影响滞度类似,如在1808K和1am下其粘滞度为692目前还没有这方面的工作发表。10-2Pa在纯液态铁的体粘滞度和剪切粘滞度值的相对与此相对应的是实际地球观测所获得的剪切粘大小方面,一般认为在常压下,体粘滞度和剪切粘滞滞度值。从大地测量得到的外核剪切粘滞度值本事度的值类似{24。 Anderson认为外核条件下体粘滞差别较大,从10-到100Pa·目这主要是由于这种度与剪切粘滞度之比值为10-100。 Zhang等人13方法观测时间长和未知吸收源的存在造成的。通过通过分子动力学却得出上述比值约为0.1,与前人纵波衰减( p-wave attenuation)获得的粘滞度较为统的认识有较大的不同。约为10Pa·s这种方法亦受诸如散射等因素的从以上对外核动力学性质研究现状的概要性介影响绍可以性质的研究是一门综在地球外核温度和压力条件下实验直接测量液合交中国煤化理、化学数学、计算态铁的粘滞度现在技术上还达不到。为了使理论计机等CNMH来解决地球科学中的算与实际观测能够统一起来,一些研究者提出了其个非常重要问题。这些“重型武器”包括最先进的他一些机制的存在。如Ium等人试图用涡粘滞 first-principles分子动力学、使用了超级计算机进行度( eddy viscosity)的存在来弥补上述差异。 Nasch等计算等等。这些艰苦的努力所获得的结果将对认识人在常压下对FNiS系统的实验研究表明s能我们所居住的地球的形成和演化具有重要意义第I期张毅刚:地球外核动力学性质研究tue,1997,389:371-374参考文献[13] Secco R A. viscosity of the outer care[1] WiLliams QE. 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