Posted on by

Drukafhankelijke isotopensamenstelling van ijzerlegeringen

Ijzerisotopen beperken de kernchemie

de totale samenstelling van de aardkern is een belangrijke beperking voor de chemie en de evolutie van het inwendige van onze planeet. Een langdurig probleem is het bepalen van de kleine element bijdrage aan zijn overwegend ijzer-nikkel legering. Op basis van de fractionering van ijzerisotopen van verschillende ijzerlegeringen met druk, Shahar et al. koolstof en waterstof zijn waarschijnlijk geen primaire componenten van de kern. De fractionering vindt plaats bij de hoge druk van kernvorming, wat suggereert dat de stabiele ijzerisotoopverhoudingen van de aarde een nieuwe en onafhankelijke beperking op kernsamenstelling zijn.

wetenschap, dit nummer. 580

Abstract

ons huidige begrip van de kernvorming van de Aarde wordt beperkt door het feit dat deze diepgaande gebeurtenis fysiek en tijdelijk ver van ons verwijderd is. De samenstelling van het ijzermetaal in de kern was een gevolg van de omstandigheden van zijn vorming, wat belangrijke implicaties heeft voor de geochemische evolutie en de fysische geschiedenis van onze planeet. We presenteren experimenteel en theoretisch bewijs voor het effect van druk op ijzerisotopische samenstelling, die we bleken te variëren afhankelijk van de geteste legering (FeO, FeHx, of Fe3C versus zuivere Fe). Deze resultaten suggereren dat waterstof of koolstof niet de belangrijkste component van het lichtelement in de kern is. De drukafhankelijkheid van ijzerisotopische samenstelling zorgt voor een onafhankelijke beperking van de kernsamenstelling van de aarde.

de scheiding van ijzermetaal van silicaat tot de kern van de aarde is een fundamenteel fysisch en chemisch differentiatieproces in de geschiedenis van onze planeet. Differentiatie van planeten en asteroïden in het algemeen is gebaseerd op temperatuur, druk (of grootte van het lichaam), zuurstof fugacity, en impact geschiedenis. Op aarde liet kernvorming veel aanwijzingen achter in de vorm van siderofiele elementpatronen, seismische waarnemingen en radiogene isotopenverhoudingen die onderzoek mogelijk maken naar hoe en wanneer differentiatie plaatsvond. Seismische gegevens tonen een dichtheidsverschil tussen zuiver ijzer en de afgeleide dichtheid uit de snelheden van de seismische golven in het binnenste van de aarde. Deze discrepantie impliceert dat er “licht” elementen anders dan ijzer in de kern van de aarde. Echter, omdat directe bemonstering van de kern onmogelijk is, blijft de samenstelling ervan een fel besproken onderwerp . Tijdens het differentiatieproces zal het gesmolten ijzermetaal legeren met andere elementen op zijn route naar het centrum van het planetaire lichaam. De elementen waarmee het zich verbindt zullen een functie zijn van de omstandigheden die de kernvorming bijwonen. Om de geschiedenis van onze planeet (of Van enig planetair lichaam dat kernvorming heeft ervaren) te begrijpen, moeten we dit lichtelement in de kern beperken.

het principe van het gebruik van stabiele isotopen om de chemische samenstelling van planeten in bulk te onderzoeken is gebaseerd op het begrijpen van isotopenfractionering tijdens de opslag van elementen in ongeziene reservoirs zoals de kern. Isotopenfractionering zal bestaan tussen fasen met verschillende bindingsomgevingen (bijvoorbeeld aarde ‘ s kern en mantel), en scheiding van elementen tussen reservoirs manifesteert deze fractionering. Veel variabelen beïnvloeden de fractionering, waaronder temperatuur, zuurstoffugaciteit en samenstelling. Bijvoorbeeld, isotopische partitionering tussen metaal en silicaat werd aangetoond te verhogen wanneer toenemende hoeveelheden zwavel werden toegevoegd aan ijzermetaal (2). Echter, deze experimenten werden uitgevoerd bij lage druk omstandigheden (1 GPa) ten opzichte van de veronderstelde omstandigheden van kernvorming (~60 GPa), en de druk werd niet beschouwd als een kritische variabele in het beïnvloeden van isotoop fractionering. Joy en Libby (3) berekenden het effect van druk op isotopenfractionering en suggereerden dat zuurstofisotopenfractionering drukafhankelijk zou kunnen zijn bij lage temperaturen. Het volgende jaar werd echter in een studie (4) het effect van druk experimenteel onderzocht en werd geen drukeffect waargenomen op de verdeling van zuurstofisotopen tussen water en bicarbonaat. Later vonden Clayton en zijn collega ‘ s (5-7) geen drukeffect op de fractionering van mineraalwater over een bereik van druk (tot 2 GPa) en temperaturen (tot 1000 K). Als gevolg van deze eerste studies werd aangenomen dat het effect van druk op de fractionering van isotopen voor alle elementen verwaarloosbaar was. Een drukeffect op de fractionering van isotopen werd in andere theoretische werkzaamheden gesuggereerd (8) en experimenteel bevestigd voor waterstof (9), maar niet voor zwaardere elementen en hogere drukken (10). Een betere instrumentatie kan echter uiteindelijk zeer kleine fractioneringseffecten oplossen en hogere druk kan de voorspelde fractionering verlichten (11, 12).

om te testen of het met ijzer gebonden lichtelement de fractionering van ijzerisotopen tussen metaal en silicaat verandert, hebben we experimenten uitgevoerd met nuclear resonant inelastic x-ray scattering (NRIXS) op FeO, FeHx, Fe3C en Fe van 2 tot 40 GPa. Polyakov en collega ‘ s (11, 13, 14) waren pioniers in het gebruik van synchrotron NRIXS-gegevens om trillingseigenschappen van mineralen te verkrijgen voor het berekenen van isotopische fractioneringsfactoren. We kunnen NRIXS-gegevens gebruiken om verminderde partitiefunctieverhoudingen (β-factoren) af te leiden, waaruit we evenwichtsisotopische fractioneringsfactoren kunnen bepalen: δA-δB = 1000 × (Ln ßA – Ln ßB), waarbij A en B twee verschillende fasen van belang zijn. Dauphas et al. (15) een uitstekende inleiding tot deze techniek en de toepasbaarheid ervan op isotopengeochemie. Een groot voordeel van nrixs experimenten is dat we de trillingseigenschappen van een fase tegelijk kunnen onderzoeken. De meer traditionele methodes die voor het meten van isotopenfractionering worden gebruikt vereisen het hebben van twee fasen bij evenwicht die dan voor hun isotopenverhoudingen moeten worden gescheiden en geanalyseerd.

we hebben hogedruk-NRIXS-experimenten uitgevoerd in sector 16-ID-D (HPCAT) van de Advanced Photon Source van Argonne National Laboratory. We verkregen energiespectra van -120 meV tot + 150 meV in stappen van 0,5 meV met een energieresolutie van 2 meV. De teltijd varieerde tussen 6 en 7 s per punt, waarbij elke nrixs-scan ongeveer 1 uur duurde en met 19 tot 50 scans per drukpunt. Honderd procent isotopisch verrijkt 57FeO, 57Fe3C, of 57Fe poeder werd geladen in een monster kamer geboord in een beryllium pakking in een panoramische diamant aambeeld cel. Voor de hydride was de kamer geladen met zuivere 57Fe en vloeibare H2, die reageerden op de vorming van FeHx. De druk werd gekalibreerd met behulp van de robijnschaal bij HPCAT (16). We hebben ook de theoretische β-factoren berekend aan de hand van de trillingsniveaus van verschillende isotoop dragende structuren. We berekenden deze met behulp van density functional perturbation theory (17) in de abinit en Quantum Espresso implementatie (18, 19) met vlakgolven en pseudopotentialen, waaruit we de theoretische fonondichtheid van toestanden verkregen (20).

we vonden lineaire relaties met de druk voor Fe, Fe3C, FeHx en FeO die uitstekende overeenstemming toonden met onze theoretische berekeningen van β-factoren (Fig. 1). Elke fase vertoont een toename van de β-factor met druk; bovendien zijn de hellingen van elke lijn verschillend. De isotopische fractionering tussen elke fase en zuiver Fe-metaal toont verschillende hellingen en onderschept aanwijzingen voor variërende drukafhankelijkheden (Fig. 2). We kunnen dit verklaren door de verwachte verschillen in binding tussen ijzer en zijn verschillende legeringselementen.

Fig. (‘) Drukafhankelijkheid van de 57 / 54Fe β-factor voor de verschillende onderzochte ijzerfasen.

een duidelijke drukafhankelijkheid van de β-factor kan voor alle geanalyseerde fasen worden waargenomen. (A) De β-factor als functie van de druk voor zuivere Fe. Grijze vierkanten zijn experimentele gegevens; groene cirkels zijn theoretische berekeningen. (B) De β-factor als functie van de druk voor Fe3C. zwarte vierkanten zijn experimentele gegevens; groene cirkels zijn theoretische berekeningen. C) De β-factor als functie van de druk voor FeHx. Blauwe vierkanten zijn experimentele gegevens; groene cirkels zijn theoretische berekeningen. D) De β-factor als functie van de druk voor FeO. Rode vierkanten zijn experimentele gegevens. Elk drukpunt werd minstens 19 keer en wel 40 keer gemeten. De fouten op de experimentele gegevens zijn ±2 SD.

Fig. 2 verschil in de verhouding ijzerisotopen van de legering ten opzichte van zuivere Fe als functie van de druk.

de rode lijn is de isotopenverhouding van FeO-Fe, de blauwe lijn is FeHx-Fe en de zwarte lijn is Fe3C – Fe. Waar de lijnen 0 kruisen op de Y-as staat voor de druk waar er geen isotoopfractionering is tussen de fasen en zuivere Fe. De fractionering van de ijzerisotoop kan worden gezien om met druk te veranderen. Δ57Fealloy-Fe = δ57Fealloy-δ57FeFe = 103 × (Ln ßalloy57 / 54Fe – Ln ßFe57 / 54Fe).

bij evenwicht is isotopenfractionering een kwantummechanisch effect dat wordt veroorzaakt door verschillen in de vrije energie van structuren die door verschillende isotopen worden bevolkt. Isotopische drukafhankelijkheden kunnen het gevolg zijn van isotopische effecten op het molaire volume of kunnen worden veroorzaakt door kracht constante verstijving als structuren samentrekken. Het molaire volume isotopeneffect is uitvoerig besproken en treedt op wanneer zware isotopen iets kortere bindingen maken en daarom strakker verpakken dan lichte. Theoretische en experimentele studies van isotopeneffecten op de molaire volumes van elementen met atoomgetallen die ijzer overspannen (bijv., koolstof en germanium) geven aan dat de isotopeneffecten op het volume zeer klein zijn bij standaard temperatuur en druk (minder dan een deel op 10-3 voor 13C versus 12C in diamant, ~10-5 voor 74Ge versus natuurlijk germanium). Bovendien vervagen Molaire volumeeffecten naarmate de temperatuur stijgt boven de Debye-temperatuur (21, 22) en ook naarmate de druk toeneemt (22). We verwachten daarom dat dit effect verwaarloosbaar is voor de fractionering van ijzerisotopen bij druk en temperatuur die relevant zijn voor de scheiding van de kern. Dezelfde conclusie werd bereikt in een eerder theoretisch onderzoek naar de fractionering van ijzerisotopen onder hoge druk (11). Onze theoretische berekeningen richten zich op de toename van krachtconstanten en overeenkomstige trillingsfrequenties als gevolg van binding verstijving onder compressie.

we vinden dat druk een duidelijk effect heeft op de isotopenfractionering tussen vaste fasen, en dat dit effect verschillend is voor de verschillende legeringen (Fig. 1 en 2). In het bijzonder stellen we vast dat de ijzerlegeringen die we hebben bestudeerd de ijzerisotopen niet in dezelfde mate concentreren. Aangezien koolstof, waterstof en zuurstof allemaal kosmochemisch overvloedig aanwezig zijn en als mogelijke kandidaten voor het belangrijkste lichtelement in planetaire kernen zijn voorgesteld, kan de fractionering van ijzerisotopen een tracer zijn van licht-elementsamenstellingen in planetaire kernen. De ijzer-waterstoflegering en de ijzer-koolstoflegering hebben de grootste fractionering ten opzichte van zuiver ijzer in een typische Magma Oceaan setting op ~60 GPa (23). Het waterstofgehalte in de kern is slecht beperkt, met schattingen variërend van verwaarloosbaar tot het equivalent van 100 hydrosferen (24). Schattingen voor het koolstofgehalte van de kern zijn minder dan ~1 gewichtsprocent (25, 26). Omdat onze gegevens bij kamertemperatuur werden verzameld, berekenden we het temperatuureffect op de fractionering van bridgmaniet (27) ten opzichte van de ijzerfasen (Fig. 3) (18). Bij 3500 K, is de fractionering voor zuivere Fe ~0,03 per mil (‰) en dat Voor FeHx ~0,07‰is.

Fig. 3 fractionering van Ijzerisotopen tussen bridgmaniet-en ijzerfasen als functie van de temperatuur.De rode lijn is de isotopenverhouding van bridgmaniet-FeO, de grijze lijn is bridgmaniet-Fe, de zwarte lijn is bridgmaniet – Fe3C en de blauwe lijn is bridgmaniet – FeHx. Bij de omstandigheden van kernvorming, een kleine maar oplosbare fractionering kan worden gezien in alle legeringen, met die voor Fe3C en FeHx veel groter dan voor Fe en FeO. Δ57febridgmaniet-Fe = δ57febridgmaniet-δ57FeFe.

initiële ijzerisotoop onderzoek op natuurlijke monsters bepaald dat “aarde” (dat wil zeggen, mantle-afgeleide rotsen) was ~0.1‰ zwaarder in δ57 / 54 dan stenen van Mars en Vesta (28). Voorspellingen (11) concludeerden dat differentiatie van de kernmantel een afdruk zou achterlaten op de ijzerisotoopsignatuur van de aarde vanwege het verschil in valentietoestand van Fe tussen Fe2+-dragende mineralen en fe0-metaal aan de kernmantel-grens. Die studie suggereerde dat de verrijking van aardse en maanbasalten in zware ijzerisotopen ten opzichte van die van Mars of Vesta is te wijten aan evenwicht ijzerisotoop fractionering tijdens de kernvorming van de aarde. Latere verklaringen betoogden echter dat de bulksilicaataarde chondritisch is en dat het de aardse basalten zijn die afwijkend zijn (29). Het model suggereert dat de ijzerisotopische samenstelling van de basalten anders was dan die van het brongesteente waaruit ze kwamen; dat wil zeggen, fractionering van ijzerisotopen vindt plaats tijdens het gedeeltelijk smelten. Als de bulksilicaataarde in zijn verhouding ijzerisotopen chondritisch is, moet deze daarom een δ57 / 54 van 0‰hebben. Als dat het geval is, dan kan elk lichtelement dat bij hoge druk en temperatuur een voldoende grote fractionering veroorzaakt om van die waarde af te wijken geen belangrijk bestanddeel van de kern zijn. Een waarschuwing is dat als de bulksilicaataarde nonchondritisch bleek te zijn, het lichtelement dat een fractionering veroorzaakt die groot genoeg is om gezien te worden—zoals Waterstof—de meest waarschijnlijke kandidaat zou zijn voor het lichtelement in de kern.

onze resultaten suggereren dat kernvorming een isotopische afdruk op het silicaatgedeelte van de aarde zou kunnen achterlaten, zelfs bij de hoogste druk en temperatuur. Bovendien zal de toevoeging van verschillende lichtelementen deze afdruk moduleren. In het bijzonder geven onze resultaten aan dat als waterstof of koolstof werden gebruikt om het dichtheidstekort in de kern van de aarde te verklaren, we een isotopische signatuur zouden verwachten die in mantelrotsen is geprint, wat niet te zien is in de rotsrecord. Het gebrek aan bewijs voor deze handtekening suggereert dat waterstof en koolstof moeten worden uitgesloten als het belangrijkste lichtelement in de aardkern (Fig. 4). Er is in de literatuur aanzienlijke onenigheid geweest over de vraag of koolstof en/of waterstof waarschijnlijk de belangrijkste bestanddelen van de kern zijn, op basis van ander bewijsmateriaal , zodat deze studie een onafhankelijke beperking biedt. Daarentegen vonden we dat zuurstof geen afdruk achterlaat op de silicaatmantel, wat impliceert dat zuurstof in ieder geval voor de fasen die we hebben geanalyseerd, een mogelijk lichtelement in de kern is (1). Het is intrigerend dat het lichtelement met deze composities de isotoopverhoudingen verandert. De effecten van andere lichte elementen (zoals silicium en zwavel) op de ijzerisotoopverhoudingen moeten worden onderzocht, evenals de effecten van nikkel en druk-geïnduceerde structuur, elektronische en magnetische overgangen. Het is nu echter duidelijk dat druk niet kan worden genegeerd bij het bespreken van evenwichtsstabiele isotoop fractionering in de diepe aarde.

Fig. 4 een schema van de implicaties van deze studie met betrekking tot de verhouding ijzerisotopen van de huidige mantel.

(A) doorsnede van de aarde met de verhouding ijzerisotopen van de mantel na de vorming van de kern, indien Fe het enige element in de kern was. (B tot en met D) hetzelfde als (A) indien waterstof (B), zuurstof (C) of koolstof (D) aanwezig waren. De 57Femantle waarden in (A) en (C) niet omgezet met de huidige technologische mogelijkheden, maar de waarden in (B) en (D) zijn omgezet

Aanvullende Materialen

www.sciencemag.org/content/352/6285/580/suppl/DC1

Materialen en Methoden

Aanvullende Tekst

Vijgen. S1 tot en met S7

referenties (33-43)

referenties en opmerkingen

  1. ↵
    1. J. Badro,
    2. A. S. Côté,
    3. J. P. Brodholt

    , a seismologically consistente compositional model of Earth ‘ s core. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 111, 7542-7545 (2014). doi: 10.1073 / pnas.1316708111pmid:24821817

  2. ↵
    1. A. Shahar,
    2. V. J. Hillgren,
    3. M. F. Horan,
    4. J. Mesa-Garcia,
    5. L. A. Kaufman,
    6. T. D. Mock

    , experimenten met fractionering van kernvorming in planetaire lichamen met Zwavelgestuurde ijzerisotopen. Geochim. Cosmochim. Acta 150, 253-264 (2015). doi: 10.1016 / j. gca.2014.08.011

  3. ↵
    1. H. W. Joy,
    2. W. F. Libby

    , Grootteeffecten tussen isotopische moleculen. J. Chem. Phys. 33, 1276 (1960). doi:10.1063/1.1731392

  4. ↵
    1. T. C. Hoering

    , The effect of physical changes on isotopic fractionation. Carnegie Inst. Wassen. Yearb. 60, 201–204 (1961).

  5. ↵
    1. R. N. Clayton,
    2. J. R. Goldsmith,
    3. K. J. Karel,
    4. T. K. Mayeda,
    5. R. C. Newton

    , Limits on the effect of pressure on isotopic fractionation. Geochim. Cosmochim. Acta 39, 1197-1201 (1975). doi:10.1016/0016-7037(75)90062-9

    1. Y. Matsuhisa,
    2. J. R. Goldsmith,
    3. R. N. Clayton

    , Oxygen isotopic fractionation in the system quartz-albite-anorthite-water. Geochim. Cosmochim. Acta 43, 1131-1140 (1979). doi: 10.1016/0016-7037(79)90099-1

  7. ↵
    1. A. Matthews,
    2. J. R. Goldsmith,
    3. R. N. Clayton

    , Oxygen isotope fractionations involving pyroxenes: the calibration of mineral-pair geothermometers. Geochim. Cosmochim. Acta 47, 631-644 (1983). doi:10.1016/0016-7037(83)90284-3

  8. ↵
    1. V. Polyakov

    , over anharmonische en drukcorrecties op de evenwichtsisotopische constanten voor mineralen. Geochim. Cosmochim. Acta 62, 3077-3085 (1998). doi: 10.1016 / S0016-7037(98)00220-8

  9. ↵
    1. J. Horita,
    2. T. Driesner,
    3. D. R. Cole

    , Pressure effect on hydrogen isotope fractionation between bruciet and water at elevated temperatures. Wetenschap 286, 1545-1547 (1999). doi: 10.1126 / wetenschap.286.5444.1545 pmid:10567257

  10. ↵
    1. F. Poitrasson,
    2. M. Roskosz,
    3. A. Corgne

    , geen fractionering van ijzerisotopen tussen gesmolten legeringen en silicaatsmelt tot 2000°C en 7,7 GPa: Experimenteel bewijs en implicaties voor planetaire differentiatie en accretie. Aarde Planeet. Sci. Lett. 278, 376–385 (2009). doi: 10.1016 / j.epsl.2008.12.025

  11. ↵
    1. V. B. Polyakov

    , fractionering van Ijzerisotopen in evenwicht bij randvoorwaarden voor kernmantel. Science 323, 912-914 (2009). doi: 10.1126 / wetenschap.1166329pmid:19213913

  12. ↵
    1. J. R. Rustad,
    2. Q.-Z. Yin

    , Iron isotope fractionation in the Earth ‘ s lower mantle. Nat. Geosci. 2, 514–518 (2009). doi: 10.1038/ngeo546

  13. ↵
    1. V. Polyakov,
    2. S. D. Mineev,
    3. R. Clayton,
    4. G. Hu,
    5. K. S. Mineev

    , Determination of tin equilibrium isotope fractionation factors from synchrotron radiation experiments. Geochim. Cosmochim. Acta 69, 5531–5536 (2005). doi:10.1016/j.gca.2005.07.010

  14. ↵
    1. V. Polyakov,
    2. R. Clayton,
    3. J. Horita,
    4. S. Mineev

    , Equilibrium iron isotope fractionation factors of minerals: Herevaluatie van de gegevens van nucleaire inelastische resonant X-ray scattering en Mössbauer spectroscopie. Geochim. Cosmochim. Acta 71, 3833-3846 (2007). doi: 10.1016 / j. gca.2007.05.019

  15. ↵
    1. N. Dauphas,
    2. M. Roskosz,
    3. E. E. Alp,
    4. D. C. Golden,
    5. C. K. Sio,
    6. F. L. H. Tissot,
    7. M. Hu,
    8. J. Zhao,
    9. L. Gao,
    10. R. V. Morris

    , Een algemeen moment NRIXS aanpak voor de bepaling van het evenwicht Fe isotopische scheiding factoren: Toepassing op goethite en jarosite. Geochim. Cosmochim. Acta 94, 254-275 (2012). doi: 10.1016 / j. gca.2012.06.013

  16. ↵
    1. H. K. Mao,
    2. J. Xu,
    3. P. M. Bell

    , Calibration of the ruby pressure gauge to 800 kbar un quasi-hydrostatische conditions. J. Geophys. 91, 4673-4676 (1986). doi: 10.1029 / JB091iB05p04673

  17. ↵
    1. S. Baroni,
    2. S. De Gironcoli,
    3. A. Dal Corso,
    4. P. Giannozzi

    , fononen en verwante kristaleigenschappen uit de dichtheid-functionele perturbatietheorie. Rev. Mod. Phys. 73, 515–562 (2001). doi: 10.1103 / RevModPhys.73.515

  18. ↵
    1. X. Gonze,
    2. B. Amadon,
    3. P.-M. Anglade,
    4. J.-M. Beuken,
    5. F. Bottin,
    6. P. Boulanger,
    7. F. Bruneval,
    8. D. Caliste,
    9. R. Caracas,
    10. M. Côté,
    11. T. Deutsch,
    12. L. Genovese,
    13. P. Ghosez,
    14. M. Giantomassi,
    15. S. Goedecker,
    16. D. R. Hamann,
    17. P. Hermet,
    18. F. Jollet,
    19. G. Jomard,
    20. S. Leroux,
    21. M. Mancini,
    22. S. Mazevet,
    23. M. J. T. Oliveira,
    24. G. Onida,
    25. Y. Pouillon,
    26. T. Rangel,
    27. G.-M. Rignanese,
    28. D. Sangalli,
    29. R. Shaltaf,
    30. M. Torrent,
    31. M. J. Verstraete,
    32. G. Zerah,
    33. J. W. Zwanziger

    , ABINIT: de Eerste beginselen van het materiaal en de nanosystem eigenschappen. Berekenen. Phys. Commun. 180, 2582–2615 (2009). doi:10.1016 / CP2009.07.007

  19. ↵
    1. P. Giannozzi,
    2. S. Baroni,
    3. N. Bonini,
    4. M. Kalander,
    5. R. De Auto,
    6. C. Cavazzoni,
    7. D. Ceresoli,
    8. G. L. Chiarotti,
    9. M. Cococcioni,
    10. I. Dabo,
    11. A. Dal Corso,
    12. S. De Gironcoli,
    13. S. Fabris,
    14. G. Fratesi,
    15. R. Gebauer,
    16. U. Gerstmann,
    17. C. Gougoussis,
    18. A. Kokalj,
    19. M. Lazzeri,
    20. L. Martin-Samos,
    21. N. Marzari,
    22. F. Mauri,
    23. R. Mazzarello,
    24. S. Paolini,
    25. A. Pasquarello,
    26. L. Paulatto,
    27. C. Sbraccia,
    28. S. Scandolo,
    29. G. Sclauzero,
    30. A. P. Seitsonen,
    31. A. Smogunov,
    32. P. Umari,
    33. R. M. Wentzcovitch

    , QUANTUM ESPRESSO: EEN modulaire en open-source software project voor quantum simulaties van materialen. J. Phys. Condensors. Matter 21, 395502 (2009). doi:10.1088/0953-8984/21/39/395502pmid:21832390

  20. ↵zie aanvullend materiaal op Science Online.
  21. ↵
    1. R. C. Buschert,
    2. A. E. Merlini,
    3. S. Pace,
    4. S. Rodriguez,
    5. M. H. Grimsditch

    , Effect of isotope concentration on the Rooster parameter of germanium perfect crystals. Phys. Rev. B 38, 5219-5221 (1988). doi: 10.1103 / PhysRevB.38.5219

  22. ↵
    1. C. P. Herrero

    , de isotopenmassa en roosterparameter van diamant; een path-integrale simulatie. J. Phys. Condensors. Matter 13, 5127-5134 (2001). doi: 10.1088/0953-8984/13/22/309

  23. ↵
    1. J. Siebert,
    2. J. Badro,
    3. D. Antonangeli,
    4. F. J. Ryerson

    , terrestrische accretie onder oxiderende omstandigheden. Wetenschap 339, 1194-1197 (2013). doi: 10.1126 / wetenschap.1227923pmid:23306436

  24. ↵
    1. Q. Williams,
    2. R. J. Hemley

    , Hydrogen in the deep Earth. Annu. Rev. Aarde Planeet. Sci. 29, 365–418 (2001). doi: 10.1146 / annurev.aarde.29.1.365

  25. ↵
    1. B. Hout,
    2. J. Li,
    3. A. Shahar

    , koolstof in de kern: de invloed ervan op de eigenschappen van de kern en de mantel. Rev Mineral. Geochem. 75, 231–250 (2013). doi: 10.2138 / rmg.2013.75.8

  26. ↵
    1. B. Chen,
    2. Z. Li,
    3. D. Zhang,
    4. J. Liu,
    5. M. Y. Hu,
    6. J. Zhao,
    7. W. Bi,
    8. E. E. Alp,
    9. Y. Xiao,
    10. P. Chow,
    11. J. Li

    , Verborgen koolstof in Aarde ‘ s kern geopenbaard door afschuiving verzachtende in dichte Fe7C3. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 111, 17755–17758 (2014).pmid:25453077

  27. ↵
    1. O. Tschauner,
    2. C. Ma,
    3. J. R. Beckett,
    4. C. Prescher,
    5. V. B. Prakapenka,
    6. G. R. Rossman

    , Ontdekking van bridgmanite, het meest voorkomende mineraal op Aarde, geschokt meteoriet. Wetenschap 346, 1100-1102 (2014). doi: 10.1126 / wetenschap.1259369pmid:25430766

  28. ↵
    1. F. Poitrasson,
    2. A. N. Halliday,
    3. D. C. Lee,
    4. S. Levasseur,
    5. N. Teutsch

    , Ijzerisotoopverschillen tussen Aarde, Maan, Mars en Vesta als mogelijke gegevens van contrastrijke accretiemechanismen. Aarde Planeet. Sci. Lett. 223, 253–266 (2004). doi: 10.1016 / j.epsl.2004.04.032

  29. ↵
    1. P. R. Craddock,
    2. J. M. Warren,
    3. N. Dauphas

    , abyssale peridotieten onthullen de bijna-chondritische Fe-isotopensamenstelling van de aarde. Aarde Planeet. Sci. Lett. 365, 63–76 (2013). doi: 10.1016 / j.epsl.2013.01.011

  30. ↵
    1. R. Caracas

    , de invloed van waterstof op de seismische eigenschappen van vast ijzer. Geofys. Res.Lett. 42, 3780–3785 (2015). doi: 10.1002 / 2015GL063478

    1. K. D. Litasov,
    2. Z. I. Popov,
    3. P. N. Gavryushkin,
    4. S. G. Ovchinnikov,
    5. A. S. Fedorov

    , first-principles calculations of the equations of state and relative stability of iron carbides at the Earth ‘ s core pressures. Russ. Geol. Geofys. 56, 164–171 (2015). doi: 10.1016 / j. rgg.2015.01.010

  32. ↵
    1. T. Sakamaki,
    2. E. Ohtani,
    3. H. Fukui,
    4. S. Kamada,
    5. S. Takahashi,
    6. T. Sakairi,
    7. A. Takahata,
    8. T. Sakai,
    9. S. Tsutsui,
    10. D. Ishikawa,
    11. R. Shiraishi,
    12. Y. Seto,
    13. T. Tsuchiya,
    14. A. V. Baron

    , Beperkingen op Aarde innerlijke kern van de samenstelling afgeleid uit metingen van het geluid, de snelheid van de hcp-ijzer in extreme omstandigheden. Sci. ADV. 2, e1500802 (2016). doi: 10.1126 / sciadv.1500802pmid:26933678

  33. ↵
    1. W. L. Mao,
    2. W. Sturhahn,
    3. D. L. Heinz,
    4. H.-K. Mao,
    5. J. Shu,
    6. R. J. Hemley

    , Nuclear resonant x-ray scattering of iron hydride at high pressure. Geofys. Res.Lett. 31, L15618 (2004). doi: 10.1029 / 2004GL020541

    1. M. M. Elcombe,
    2. J. R. Hulston

    , Calculation on sulphur isotope fractionation between sphalerite and galena using raster dynamics. Aarde Planeet. Sci. Lett. 28, 172–180 (1975). doi: 10.1016/0012-821X(75)90224-1

    1. M. Blanchard,
    2. F. Poitrasson,
    3. M. Méheut,
    4. M. Lazzeri,
    5. F. Mauri,
    6. E. Balan

    , Strijkijzer isotoop scheiding tussen pyriet (FeS2), hematiet (Fe2O3) en siderite (FeCO3): Een eerste beginselen van density functional theory studie. Geochim. Cosmochim. Acta 72, 6565-6578 (2009). doi: 10.1016 / j. gca.2009.07.034

    1. S. Ponc

    , é G. Antonius, P. Boulanger, E. Cannuccia, A. Marini, M. Côté, X. Gonze, verificatie van codes van de eerste beginselen: vergelijking van totale energieën, fononfrequenties, elektron-fonon koppeling en nulpuntsbeweging correctie op de kloof tussen ABINIT en QE/Yambo. Berekenen. Takel. Sci. 83, 341–348 (2014). doi: 10.1016 / j. commatsci.2013.11.031

    1. J. P. Perdew,
    2. K. Burke,
    3. Y. Wang

    , Generalized gradient approximation for the exchange-correlation hole of a many-electron system. Phys. Eerwaarde Lett. 54, 16533–16539 (1996). doi: 10.1103 / PhysRevB.54.16533

    1. B. N. Brockhouse,
    2. H. E. Abou-Helal,
    3. E. D. Hallman

    , Roostertrillingen in ijzer bij 296 ° K. Solid State Commun. 5, 211–216 (1967). doi: 10.1016 / 0038-1098 (67)90258-X

    1. E. Knittle,
    2. R. Jeanloz,
    3. G. L. Smith

    , thermische uitzetting van silicaat perovskiet en stratificatie van de aardmantel. Nature 319, 214-216 (1986). doi: 10.1038 / 319214a0

    1. B. Chen,
    2. L. Gao,
    3. K. Funakoshi,
    4. J. Li

    , thermische uitzetting van ijzerrijke legeringen en implicaties voor de aardkern. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104, 9162-9167 (2007). doi: 10.1073 / pnas.0610474104pmid:17446274

    1. W. Sturhahn

    , Nuclear resonant spectroscopy. J. Phys. Condensors. Matter 16, S497–S530 (2004). doi:10.1088/0953-8984/16/5/009

    1. N. Dauphas,
    2. M. Roskosz,
    3. E. E. Alp,
    4. D. R. Neuville,
    5. M. Y. Hu,
    6. C. K. Sio,
    7. F. L. H. Tissot,
    8. J. Zhao,
    9. L. Tissandier,
    10. E. M

    , é C. dard, Cordier, Magma redox and structural controls on iron isotope variations in Earth ‘ s mantle and crust. Aarde Planeet. Sci. Lett. 398, 127–140 (2014). doi: 10.1016 / j.epsl.2014.04.033

  43. ↵
    1. C. A. Murphy,
    2. J. M. Jackson,
    3. W. Sturhahn

    , Experimental constraints on the thermodynamics and sound velocities of hcp-Fe to core pressures. J. Geophys. Res. 118, 1999-2016 (2013). doi: 10.1002 / jgrb.50166

Dankwoord: Ondersteund door een Stanford University Blaustein Fellowship, waarin dit project ontwikkeld, en NSF subsidie EAR1321858 (A. S.); NSF subsidie EAR1464008 (A. S. en W. M.); NSF subsidie EAR1530306 (E. A. S.); en CNRS FOTO ‘ s subsidie Carmelts en eDARI/CINES subsidie x2015106368 voor computerhulpmiddelen (R.C.). De volledige gegevenstabellen voor deze studie zijn te vinden op www.gl.ciw.edu/static/users/ashahar/shahar_nrixs/. wij danken vier anonieme reviewers voor het verstrekken van zeer nuttige opmerkingen en suggesties.

Published by admin

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.