DP还能干这个？DP助力：探索地球内核各向异性新机理

近期，中国科学院地球化学研究所理论团队与合作者利用深度势能分子动力（DPMD）学对六方相（hcp）超离子态铁-氢合金进行了深入研究，人工智能驱动的科学研究新方法（AI for Science）实现了外电场下大规模分子动力学模拟，发现了超离子态铁-氢合金可以与地磁场发生相互作用，并在偶极磁场的作用下形成了各向异性结构，为内核复杂的各向异性和不均一结构成因提供了全新解释。相关工作发表于Nature Communications 2023.

研究背景

地震学观测结果显示，地球内核结构复杂，表现出地震波沿南北极方向速度快，沿赤道面方向速度慢；地震波速的各向异性随着深度也发生变化，内核外层存在着各向同性的区域，特别是在内核最深处，慢轴方向与极轴方向呈现约50°的偏转；地球内核各向异性还存在东西差异，西半球的各向异性更强。内核各向异性一般认为是由晶格定向排列导致，但是对于形成定向排列的驱动力目前尚无定论，对各向异性结构的形成机理也缺乏系统认知。

2022年相同研究团队，在内核温压下计算了超离子态铁合金弹性性质和地震波速，发现超离子态转变导致弹性软化和地震波速变慢，计算值与观测结果相符。研究结果既解决了实际观测过程中地球内核密度亏损的问题，也解决了横波波速较慢的问题。地球内核由固态铁和在其晶格中流动的轻元素组成，这颠覆了地球内核是固态的传统认知。超离子态将对内核性质产生显著影响，为内核研究提供了全新思路（Nature 2022）。

地震波速各向异性

他们最近研究发现，超离子态物质表现出特殊的弹性性质，铁-氢合金 (FeH_0.25) 的纵波各向异性随着温度从0 K增长到6000 K发生了极不寻常的变化，沿着晶体c轴方向的纵波波速逐渐降低，波速各向异性先减弱后增强。4000 K时，c轴波速相对减小至接近a轴方向波速，其各向异性达到最小值。随着温度继续升高至6000 K, c轴方向波速继续减小，a轴成为最快波速方向，此时各向异性值增加至5.3%。除了温度影响外，氢离子浓度增加，也会导致波速各向异性的转变。

图 1. 六方相铁-氢合金中地震纵波波速各向异性随温度、压力和氢含量的变化

氢离子扩散各向异性

氢在hcp铁-氢合金中的扩散表现出明显的各向异性，其沿着c轴方向扩散时有着更低的迁移能垒，表现为扩散时离子沿该方向与晶格的相互作用力更弱。然而，在分子动力学模拟中受限于模型大小和模拟时间的限制，第一性原理分子动力学无法显示该合金在高温下同样存在各向异性。通过与Bohrium团队沟通，研究团队在Bohrium平台上很快的训练了超离子态铁-氢合金的分子动力学势能，并利用该势能对其输运各向异性进行了分子动力学模拟模拟。DPMD使得该研究体系扩大，模拟时间增长，可以显著提高扩散系数计算的准确率。并通过在外加电场的条件下模拟，发现当c轴方向与电场方向平行时体系能量上更为有利 （图2）。研究表明超离子态物质能够在外电场的作用下产生定向排布。

图 2. 氢离子各向异性扩散以及六方相铁-氢合金FeH0.25在外加电场下的自由能差

超离子态各向异性内核模型

基于地球发电机数值模拟结果，外核动力学过程产生的磁场将在内核边界 (ICB) 处分解为环向地磁场B_T和极向地磁场B_P两个分量。偶极地磁中极向磁场B_P能够穿透整个内核，而环向磁场由于趋肤效应的存在，只能扩散到内核顶部较浅的区域（图3a黄色区域）。在内核顶部处，由B_T和B_P的共同作用下，将不会形成显著的各向异性构造，从而解释了内核顶部的各向同性层。而在深处，B_P将起到主导作用，根据安培定律，相应的电流方向将垂直于B_P方向。如上所述，超离子态铁-氢合金c轴平行于电流方向排布对体系能量最为有利。根据此全新机理，可以构建地磁场驱动下的超离子态内核模型，其c轴将与赤道面平行，从而导致与地震学观测结果一致的各向异性的地震波速（图3b）。若进一步考虑c轴在赤道面的各向异性排布，还可以解释最内核的各向异性结构变化(图3c)。

图 3. 内核中地磁场示意图以及随深度变化各向异性构造变化，以及超离子态内核模型与不同深度地震学观测对比。

“水滴石穿”，在内核电场的作用下，流体一样的氢离子就像滴水一样，塑造了内核的各向异性结构。然而，内核的电场分布将更为复杂，并且会随时间发生变化，这将为认知内核结构的不均一性和时变特征带来新的思路。更重要的是，该项研究首次建立起了地球内核结构与地磁场之间的耦合关系，为研究地磁场的运行机制与演化提供了全新的关键线索。

文章链接

Yu He*, Shichuan Sun, Duck Young Kim, Bo Gyu Jiang, Heping Li & Ho-kwang Mao. Superionic iron alloys and their seismic velocities in Earth’s inner core. Nature 602, 258-262 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04361-x

Shichuan Sun, Yu He*, Junyi Yang, Yufeng Lin, Jinfeng Li, Duck Young Kim, Heping Li, Ho-kwang Mao. Superionic effect and anisotropic texture in Earth’s inner core driven by geomagnetic field. Nature Communications 14, 1656 (2023)

https://doi.org/10.1038/s41467-023-37376-1

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