铁的熔点是多少度
作者简介：张志刚，博士，中国科学院地质与地球物理研究所副研究员，主要研究方向：地球及行星内部物质特性的多尺度模拟研究。目前研究问题包括：1、地幔矿物和熔体的地球物理及地球化学特性；2、铁及其合金的物理化学性质；3、地质流体物理化学性质的分子模拟与热力学建模。地核温度究竟有多高？如果把地球比做一部精巧的机器，那地核就是保持这部机器勃勃生机的内在引擎，它提供了地球内部运行最为重要的能源与动力，与此同时地核外层液态区域的对流所产生的地磁场，对地表生物活动和环境气候等都有着重要影响。通过地震学方法，人们对地核的尺寸、压力、形貌等有着越来越清晰的认识。如果以距离地表的深度作为横坐标（图1），人们“看到”地核位于2890公里以下，而在大约5150公里的地方又分出了液态外核与固态内核。“背负”着整个地壳与地幔，可想而知地核处处都是“压力山大”，外核顶部的压强约为136GPa（1GPa?相当于一万个大气压），而内核顶部的压强则约为329GPa。图1. 地核在地球内部的位置。左图为地球参考模型（PREM），是依据大量地球物理数据得到的有关密度和波速的一维模型；右图为地球内部结构示意图，图中标示了重要界面的位置与压强。地核主要由铁元素组成，想一想外核就像是一锅翻腾的铁水（图2），你就该猜到这里应该是多么炙热难耐了。然而，地核温度究竟高到什么地步呢？这其实是一个困扰地球科学界很多年的难题。图2. 炼钢厂的铁水。隔着屏幕都能感受到的炙热，地核的温度可比这还要高好多倍呢！那怎样来估计地核的温度呢？细心的你可能会注意到，刚才我们提到的距地表大约5150公里的内核边界（简写为ICB，也有人称之为内外核界面，简写为IOB）是一个非常特殊的地方，这里既有“铁水”也有“铁块”。就像在一杯水中加入冰（图3），水的温度高了冰会很快化作水，温度低了水会结成冰，只有温度刚刚好，水和冰才能友好地待在一起。因此，ICB的固液共存是一个天然的温度计，为估计地核温度提供了强有力的条件。图3. 冰水。看着很爽呀！可这与刚才的铁水冰火两重天的，它和地核温度有什么关系呢？此刻，聪明的你脑海中或许已经有了一个解决这一科学难题的方案：其实只要测出铁在329GPa的熔融温度就可以了嘛！的确，这正是很多研究者孜孜以求的研究目标。只不过要实现这个目标，并非如想象中的那么容易！?为了模拟地核的极端温压条件，人们一般采用两种实验方法：一是使用轻气炮的动高压实验，二是用金刚石压砧的静高压实验（图4a、4b）。动高压实验通过爆炸产生的冲击波得到瞬间高温高压（图4c），冲击压缩过程中如果观测到波速随压强升高而突然降低，则表明样品发生了熔融，但是动高压实验一般不能直接测得样品的温度，需通过热力学模型计算得到温度。另外，在如此短的时间内测量熔点还可能会有过热效应。静高压实验则用两块磨尖的金刚石相接触，并施加以压力，由于二者的接触面积非常小（图4d），再配以激光加热系统，可以得到解决上述问题所需的高温高压环境。相比动高压实验，静高压实验虽然可以通过热辐射来直接测定温度，但仍然有不小的不确定度。与此同时，如何实现快速判别样品是否开始熔融、如何避免高温下与样品腔的化学反应等都是不小的挑战。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（a）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（b）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （c）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（d）图4. 高温高压实验。(a)(c)为动高压实验装置及其原理图；(b)(d)为金刚石压砧及其原理图。自从1986年美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Robert McQueen博士研究组发表纯铁的极高压熔点数据以来，人们对于ICB处铁的熔点究竟是多少仍然存在不小的分歧，不同研究者给出的熔融温度甚至相差2000K以上（图5-a）。总体来说，现有的研究结果分成两派：一派认为铁在ICB附近的熔融温度大概在6000K左右甚至更高些（我们后面称之为“高派”），高派主要采用动高压实验方法和我们后面要提到的第一性原理理论模拟；另一派则认为这里的熔点应该在5000K左右甚至更低（“低派”），他们主要采用静高压实验方法为主。这两派争论了多年，各方要么抓住对方的“辫子”不放，谁也不服谁，要么绞尽脑汁提出解释两派实验结果差异的解决方案。比如日本东京技术研究所的Komabayashi博士在2010年就提出，大多数静高压实验结果没有问题，只是从200GPa外推到329GPa没有考虑到铁可能还有高压相变呢，如果有这么一个相（虽然这个高压相至今也没有实验证实），这样“高派”和“低派”的实验结果都完美一致啦（图5-b）。到了2013年，“高派”迎来了静高压实验的重要支持：法国高压研究团队Anzellini博士等人利用欧洲同步辐射装置发展了快速X射线衍射技术，他们测得的熔融曲线比前人静高压实验结果要高1000K左右，这样外推到ICB处的熔点大约为6230K左右。在完美支持“高派”的同时，他们不忘打击一下“低派”：你们“看”到的熔融其实是假象，很有可能只是快速结晶现象而非真的熔了（如图5-a的点划线）！看到有人否定自己的心血之作，“低派”当然不答应，又提出了一系列新的实验结果来证明自己确实…真的…真的“看”到了熔融，代表性的工作比如2015年Aquilanti等人发表在PNAS上的一篇文章，好奇的你可以翻翻一看究竟，在这里就不多说啦。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5-a）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5-b）图5. 纯铁的熔融曲线。图a引自Anzellini等(2013)Science，图b引自Komabayashi and Fei (2010) JGR。图中符号和曲线的说明参见原文。你也许会问：既然高温高压实验测定ICB处铁的熔点这么难，还有没有其它方法呀？还真有这样一批研究者，没见他们拿啥实验设备，只是成天捣腾计算，也加入到地核温度的论战中来，他们采用的是一种叫“第一性原理模拟”的手段，我们刚才其实已经在上文（图5-a）中见识到他们的结果了。所谓第一性原理，是指依据最基本的物理学定律预测物质的各种性质，在这个过程中一般仅需要四个基本物理常数：电子质量、电子电荷、真空介电常数和普朗克常数，除此之外，不依赖其它任何实验参数，正是由于具有这种优势，使得第一性原理模拟非常适合处于极端温压下地核的相关研究，可以看作是一种强大的“计算机实验”。由于目前高性能计算能力仍然有限，在实际的运用中，人们需要引入一些假设和近似，这就造成第一性模拟结果也存在差异，如（图5-a）中的数据，虽然他们一般普遍支持“高派”，但其实彼此间的结果也可能有上千度的差异。如（图6）所示是一种确定铁熔点的最为直观的“计算机实验”，就是将一半的固态铁和一半液态铁放到一起，在给定的压力温度下模拟一段时间后，看哪一相长大了，这样不断调整温度，确定出两相可以长期共存的温度，也就是熔点。这种方法易于理解，但是为了保证模拟结果的可靠性，必须采用足够多的原子数，而且需要做足够次数的模拟，这就造成计算量负担过重，通常一千个原子左右的体系需要至少数月的时间才能完成。当然还有其它更为复杂的模拟方法，你如果感兴趣可以看看英国伦敦大学学院Dario Alfe教授的团队所做的一系列工作。图6. 纯铁固液共存平衡的第一性原理分子动力学模拟。模拟盒子中共有960个铁原子。修改自Alfe, 2009, PRB。说了这么多，ICB处地核的温度看来至少还有1000~2000K的不确定性，以这个点为参考点，再利用一些地球物理与热力学参数，我们就可以估算出整个地核的温度曲线。你也许会说，地核离我们这么遥远，20-40%的误差就已经不错啦！嗯，地核温度的重要性可不在其数值本身哦，地核的“冷”与“热”关系到整个地球的演化。比如，如果从地核温度曲线得到地核与地幔边界处的温度，上千度的温度差异可能会有不同的地幔演化故事哦，就地核本身而言，“热”或者“偏冷”也会影响人们对地磁、地核冷却速率等重大科学问题的理解。另一方面，你也看到了几十年来“高派”与“低派”论战了吧，找到完美解释他们研究结果差异的根本原因，至少能让他们收兵睡个安稳觉。所以，“地核温度究竟有多高？”，研究人员还在努力找到更精确的答案呢。“好吧，说了半天就是这样啊…”你有点不满足，又有点疲倦。等等等等……问题还没完哦，地核可不是纯粹的铁元素呢。如图7所示，要解释地球物理观测到的地核密度，还得往地核中添点“佐料”，就是比铁轻的元素，比如硫、氧、硅、碳和氢等。根据冶金学原理，比铁元素轻的元素的混入会影响铁的熔点。这些元素究竟怎样影响地核的温度还并不很清楚，这需要知道它们的含量分别是多少、以及它们如何在固态-液态中的分配等。这又至少与另一个未解之谜紧密联系起来了：“地核的化学成分究竟有哪些？”。你准备好了看另一番热闹不？图7. 纯铁的密度高于地核的密度，因此地核中必然有“轻”元素存在。图中PREM为地球参考模型，是依据大量地球物理数据得到的有关密度和波速的一维模型；IOB指内外核边界。引自Fiquet等(2008)。参考文献[1].Alfe D., 2009. Temperature of the inner-core boundary of the Earth: Melting of iron at high pressure from first-principles coexistence simulations. Phys. Rev. B 79, 060101(R).[2].Anzellini, S., Dewaele, A., Mezouar, M., Loubeyre, P., Morard, G., 2013. Melting of Iron at Earth’s Inner Core Boundary Based on Fast X-ray Diffraction. Science 340, 464-466.[3].Aquilanti, G., Trapananti, A., Karandikar, A., Kantor, I., Marini, C., Mathon, O., Pascarelli, S., Boehler, R., 2015. Melting of iron determined by X-ray absorption spectroscopy to 100 GPa. P Natl Acad Sci USA 112, 12042-12045.[4].Brown, J.M., McQueen, R.G., 1986. Phase transition, Grüneisen parameter, and elasticity for shocked iron between 77 GPa and 400 GPa. J Geophys Res 91.[5].Fiquet, G., Guyot, F., Badro, J., 2008. The Earth’s lower mantle and core. Elements 4, 177-182.[6].Komabayashi, T., Fei, Y.W., 2010. Internally consistent thermodynamic database for iron to the Earth’s core conditions. J Geophys Res-Sol Ea 115.美术编辑：王? ?敏校 ? ? ? ?对：黄志伟
