地球外核動(dòng)力學(xué)性質(zhì)研究

第1期中國科學(xué)基金成果簡(jiǎn)介地球外核動(dòng)力學(xué)性質(zhì)研究張毅剛(中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京100029)[關(guān)鍵詞]外核,液態(tài)鐵,粘滯度地球的外核處于地球29005100km深度之含水,95ml%的水將與鐵作用,形成FeH2,這樣間,處于液態(tài)。而從51006371km處的內核為固60%的密度缺口可以有氫的加入來(lái)彌補態(tài)研究地核輕元素組成對認識地球形成和演化具在整個(gè)地球演化過(guò)程中,地球外核起著(zhù)極其重有極其重要的意義。它與地球初始形成時(shí)的星子堆要的作用。首先,它是地球磁場(chǎng)的來(lái)源,通過(guò)外核液積模式( accretion model)和隨后進(jìn)行的巖漿海模式態(tài)鐵的流體運動(dòng)(G∞ dynamo),產(chǎn)生磁場(chǎng)。地球磁場(chǎng)( magma ocean model)密切相關(guān)。本文認為,在研究外與我們的日常生活密切相關(guān),它能夠保護我們不受核的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)時(shí),除了考慮純鐵外,還需考慮所有宇宙帶電粒子的侵襲,是進(jìn)行航海的方向標。在建其他元素的可能影響。立板塊構造學(xué)說(shuō)過(guò)程中,地球磁場(chǎng)在大洋板塊中留2外核的溫度和壓力下的痕跡曾起了決定性作用。其次,地球內核的逐步冷卻產(chǎn)生的熱量,通過(guò)外核到達核幔邊界造成核對于地核壓力的分布目前有較清晰的認識幔相互作用。近年來(lái),核幔邊界的研究成為熱點(diǎn),人般認為核幔邊界( Core Mantle boundary,CMB)的壓力們推測大洋板塊下插后能夠沉降到核幔邊界為135cpa(壓力單位1cpa=10Pa=10bar≈104大D’),地幔柱來(lái)源于核幔邊界。因此,研究外核的氣壓),而內核和外核邊界(ICB)的壓力為330Gpao動(dòng)力學(xué)性質(zhì)是認識整個(gè)地球演化的重要組成部分。與此相反,對地核內部溫度的分布卻有較大的分歧。以下我們首先考察一下地球外核的物質(zhì)組成和由于地球內外核處于液固平衡,故主要工作集中在所處的溫度壓力狀態(tài),在此基礎上,介紹有關(guān)外核所確定鐵在330cpa下的熔化溫度上處的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)方面的研究Poirier等人通過(guò)理論研究認為在ICB壓力下1地球外核物質(zhì)成分純鐵的熔化溫度約6000K,考慮到輕元素的影響,認為ICB的溫度約為500K。Yo0等人8通過(guò)實(shí)驗地球外核的主要成分為鐵。由于外核的密度比得到在30cpa時(shí),鐵的熔化溫度為(6830±500)K。純鐵輕10%,因此還必須考慮各種較輕元素的存Dy等人9對這方面的工作做了總結。 Belonoshko在,如:0,s,C,S和H。但外核以什么較輕元素為等人0的分子動(dòng)力學(xué)計算得出的LB溫度超過(guò)主卻有較大的爭議8000K。Williams等人通過(guò)考察體積彈性模量和氧逸對外核動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的研究需要在以上的溫度和度,認為硅不可能是外核中最主要的輕元素。Ale壓力區間來(lái)考慮。gre等人(2,卻認為硅是最主要的輕元素。L等人4實(shí)驗研究表明,硫隨壓力增加變得更親鐵中國煤化( siderophile),有可能是外核最主要的輕元素。GesCNMHG究對象的成分及其所mann等人5的工作表明硅和氧均不可能是地核的處的溫度和壓力的大致范圍,在此基礎上,可以開(kāi)始主要輕元素。 Okuchile6認為如果初始地球的巖漿海研究外核的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。本文于1999年7月29日收到中國科學(xué)基金2000年外核處于不斷的流動(dòng)狀態(tài),動(dòng)力學(xué)性質(zhì)包括擴夠使該系統的粘滯度到107Pa·s。但在外核溫度和散系數、粘滯度、熱導率、電導率等,其中最主要的動(dòng)壓力下該系統的行為是否仍然如此現在無(wú)法知道。力學(xué)性質(zhì)是粘滯度。粘滯度反映的是物質(zhì)流動(dòng)快慢近期的理論計算表明S對液態(tài)鐵的粘滯度影響不方面的性質(zhì),主要有2種,即剪切粘滯度( shear vis-大121,而0甚至會(huì )降低FeO系統的粘滯度2cosy和體粘滯度( bulk viscosity)。剪切粘滯度是模研究流體流動(dòng)與電磁場(chǎng)相互作用的學(xué)科叫做磁擬外核地核發(fā)電機的基本參數2。體粘滯度則流體力學(xué)( magnetohydrodynamics)為研究地核發(fā)電主要應用于考察物質(zhì)對地震波的吸收。機的具體過(guò)程,需要解一系列復雜的非線(xiàn)性偏微分目前,地球外核粘滯度的具體數值存在很大的方程。其中所要考慮的力包括科里奧利力、粘滯力爭議1對前人的研究做了概要性總結。各和洛倫茲力。其中粘滯力和科里奧利力的相對重要種估計方法所得結果的差異達到104級。這些結果性可以用 Ekman數來(lái)表達。 Ekman數的定義為可以分為2種,一種是通過(guò)各種方法進(jìn)行理論計算,v/(2),其中為粘滯度,p為流體密度為地球另一種則是實(shí)際觀(guān)測。旋轉速度,L為流體厚度。通過(guò)計算表明在外核中首先在剪切粘滯度方面,通過(guò)各種液態(tài)金屬理相對于科里奧利力,粘滯力可以忽略不計。外核處論計算得出的值大約為10-2Pa·sl4-16。最近,De于一種小尺度的循環(huán)和紊流狀態(tài),而不是大尺度的Wjs!使用 first-principle分子動(dòng)力學(xué)方法計算了液整體循環(huán)。外核液態(tài)鐵較小的粘滯度還對進(jìn)行地核態(tài)鐵在外核條件下的剪切粘滯度。他們使用的方法發(fā)電機( geodynamo)的模擬造成了很大的麻煩。在是首先獲得擴散系數,然后利用 Sutherland-Einstein處理邊界條件時(shí),小粘滯度需要較高的解析度,從而公式間接獲得剪切粘滯度。得出的結果與上述利用使計算時(shí)間大大提高。許多研究者正在進(jìn)行這方面各種液態(tài)金屬理論得出的結果類(lèi)似。hang等人的努力以解決這一問(wèn)題(1利用經(jīng)驗的 embedded-atom勢能進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)在體粘滯度方面, Anderson(2根據雙態(tài)理論計算。他們分別利用了 Sutherland- Einstein和 Green,( (two-state theory)估計外核的體粘滯度大約為10Kbo兩個(gè)公式計算剪切粘滯度。兩種方法所得結100Pa·s6hang等人3.首次利用分子動(dòng)力學(xué)方果基本一致,也為10-2Pa,s左右。法計算了在外核溫壓條件下液態(tài)鐵的體粘滯度,得在25℃和1大氣壓下,水的粘滯度為894×出的結果為10-3-104Pa.s這與 Anderson的結104Pas,水銀為1.55×103Pas,60%蔗糖+水為果有很大的不同。 Nasch等人對Fe5%N10%S565×102Pa·s,甘油為0.5450Pa·s,蓖麻油為系統的研究表明S不僅有效地增加系統的粘滯度,1.0300Paso因此,外核的剪切粘滯度實(shí)際上很小,而且對體粘滯度的增加大于對剪切粘滯度的增加,介于我們日常生活所熟悉的水和甘油之間。液態(tài)鐵所得縱粘滯度( longitudinal viscosity)中體粘滯度為主在外核溫壓條件下的粘滯度值也與它在常壓下的粘要部分。外核溫壓條件下輕元素對體粘滯度的影響滯度類(lèi)似,如在1808K和1am下其粘滯度為692目前還沒(méi)有這方面的工作發(fā)表。10-2Pa在純液態(tài)鐵的體粘滯度和剪切粘滯度值的相對與此相對應的是實(shí)際地球觀(guān)測所獲得的剪切粘大小方面,一般認為在常壓下,體粘滯度和剪切粘滯滯度值。從大地測量得到的外核剪切粘滯度值本事度的值類(lèi)似{24。 Anderson認為外核條件下體粘滯差別較大,從10-到100Pa·目這主要是由于這種度與剪切粘滯度之比值為10-100。 Zhang等人13方法觀(guān)測時(shí)間長(cháng)和未知吸收源的存在造成的。通過(guò)通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)卻得出上述比值約為0.1,與前人縱波衰減( p-wave attenuation)獲得的粘滯度較為統的認識有較大的不同。約為10Pa·s這種方法亦受諸如散射等因素的從以上對外核動(dòng)力學(xué)性質(zhì)研究現狀的概要性介影響紹可以性質(zhì)的研究是一門(mén)綜在地球外核溫度和壓力條件下實(shí)驗直接測量液合交中國煤化理、化學(xué)數學(xué)、計算態(tài)鐵的粘滯度現在技術(shù)上還達不到。為了使理論計機等CNMH來(lái)解決地球科學(xué)中的算與實(shí)際觀(guān)測能夠統一起來(lái),一些研究者提出了其個(gè)非常重要問(wèn)題。這些“重型武器”包括最先進(jìn)的他一些機制的存在。如Ium等人試圖用渦粘滯 first-principles分子動(dòng)力學(xué)、使用了超級計算機進(jìn)行度( eddy viscosity)的存在來(lái)彌補上述差異。 Nasch等計算等等。這些艱苦的努力所獲得的結果將對認識人在常壓下對FNiS系統的實(shí)驗研究表明s能我們所居住的地球的形成和演化具有重要意義第I期張毅剛:地球外核動(dòng)力學(xué)性質(zhì)研究tue,1997,389:371-374參考文獻[13] Secco R A. viscosity of the outer care[1] WiLliams QE. 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