Zależny od ciśnienia skład izotopowy stopów żelaza / Science

izotopy żelaza ograniczają chemię rdzenia
Streszczenie
Materiały uzupełniające
Referencje i uwagi

izotopy żelaza ograniczają chemię rdzenia

ogólny skład jądra Ziemi jest ważnym ograniczeniem dla chemii i ewolucji wnętrza naszej planety. Od dawna problemem jest określenie niewielkiego udziału pierwiastków w jego przeważającym stopie żelaza i niklu. Na podstawie frakcjonowania izotopów żelaza różnych stopów żelaza pod ciśnieniem, Shahar et al. przekonaj się, że węgiel i wodór prawdopodobnie nie są głównymi składnikami rdzenia. Frakcjonowanie zachodzi przy wysokich ciśnieniach formowania się rdzenia, co sugeruje, że stabilne proporcje izotopów żelaza Ziemi są nowym i niezależnym ograniczeniem składu rdzenia.

Nauka, ten problem p. 580

Streszczenie

nasze obecne rozumienie powstawania jądra Ziemi jest ograniczone przez fakt, że to Głębokie wydarzenie jest daleko od nas fizycznie i czasowo. Skład metalu żelaznego w rdzeniu był wynikiem warunków jego powstawania, co ma istotne implikacje dla ewolucji geochemicznej i historii fizycznej naszej planety. Przedstawiamy eksperymentalne i teoretyczne dowody na wpływ ciśnienia na skład izotopowy żelaza, który różni się w zależności od badanego stopu (FeO, FeHx lub Fe3C w porównaniu z czystym Fe). Wyniki te sugerują, że wodór lub węgiel nie jest głównym składnikiem światła w rdzeniu. Zależność ciśnieniowa składu izotopowego żelaza stanowi niezależne ograniczenie składu jądra Ziemi.

oddzielenie metalu żelaznego od krzemianu w celu utworzenia jądra Ziemi stanowi podstawowy proces różnicowania fizycznego i chemicznego w historii naszej planety. Zróżnicowanie planet i planetoid w ogóle opiera się na temperaturze, ciśnieniu (lub wielkości ciała), zawartości tlenu i historii zderzeń. Na Ziemi formacja rdzenia pozostawiła wiele wskazówek w postaci wzorców pierwiastków siderofilnych, obserwacji sejsmicznych i radiogenicznych współczynników izotopów, które umożliwiają badania nad tym, jak i kiedy nastąpiło różnicowanie. Dane sejsmiczne pokazują różnicę gęstości między czystym żelazem a wnioskowaną gęstością na podstawie prędkości fal sejsmicznych we wnętrzu Ziemi. Ta rozbieżność oznacza, że w jądrze Ziemi znajdują się „lekkie” pierwiastki inne niż żelazo. Ponieważ jednak bezpośrednie próbkowanie rdzenia jest niemożliwe, jego kompozycja pozostaje tematem gorącej dyskusji . Podczas procesu różnicowania stopiony metal żelazny stopi się z innymi pierwiastkami na drodze do środka ciała planetarnego. Elementy, z którymi się wiąże, będą funkcją warunków, w których powstaje rdzeń. Aby zrozumieć historię naszej planety (lub jakiegokolwiek ciała planetarnego, które doświadczyło formowania się jądra), musimy ograniczyć ten element światła w jądrze.

zasada używania stabilnych izotopów do badania masowego składu chemicznego Planet jest zakorzeniona w zrozumieniu frakcjonowania izotopów podczas sekwestracji pierwiastków w niewidzialnych zbiornikach, takich jak jądro. Frakcjonowanie izotopów będzie istnieć między fazami o różnych środowiskach wiążących (np. jądrze Ziemi i płaszczu), a separacja pierwiastków między zbiornikami manifestuje tę frakcjonowanie. Na frakcjonowanie wpływa wiele zmiennych, w tym Temperatura, fugacja tlenu i skład. Na przykład wykazano, że podział izotopowy między metalem i krzemianem zwiększa się, gdy do metalu żelaza dodaje się coraz większe ilości siarki (2). Jednak eksperymenty te przeprowadzono w warunkach niskiego ciśnienia (1 GPa) w stosunku do domniemanych warunków powstawania rdzenia (~60 GPa), a ciśnienie nie było uważane za krytyczną zmienną w wpływaniu na frakcjonowanie izotopów. Joy i Libby (3) obliczyli wpływ ciśnienia na frakcjonowanie izotopów i zasugerowali, że frakcjonowanie izotopów tlenu może być zależne od ciśnienia w niskich temperaturach. Jednak w następnym roku w badaniu (4) zbadano eksperymentalnie wpływ ciśnienia i nie zaobserwowano wpływu ciśnienia na podział izotopów tlenu między wodę i wodorowęglan. Później Clayton i współpracownicy (5-7) nie stwierdzili wpływu ciśnienia na frakcjonowanie wody mineralnej w zakresie ciśnień (do 2 GPa) i temperatur (do 1000 K). W wyniku tych wstępnych badań przyjęto, że wpływ ciśnienia na frakcjonowanie izotopów jest nieistotny dla wszystkich pierwiastków. Wpływ ciśnienia na frakcjonowanie izotopów został zasugerowany w innych pracach teoretycznych (8) i potwierdzony doświadczalnie dla wodoru (9), ale nie dla cięższych pierwiastków i wyższych ciśnień (10). Jednak lepsze oprzyrządowanie może ostatecznie być w stanie rozwiązać bardzo małe efekty frakcjonowania, a wyższe ciśnienia mogą oświetlać przewidywane frakcjonowanie (11, 12).

aby sprawdzić, czy pierwiastek lekki związany z żelazem zmienia frakcjonowanie izotopów żelaza między metalem a krzemianem, przeprowadziliśmy eksperymenty z rezonansem jądrowym na FeO, FeHx, Fe3C i Fe od 2 do 40 GPa. Polyakov i współpracownicy (11, 13, 14) byli pionierami wykorzystania synchrotronowych danych NRIXS do uzyskiwania właściwości wibracyjnych minerałów do obliczania współczynników frakcjonowania izotopowego. Możemy użyć danych NRIXS do uzyskania zredukowanych współczynników funkcji podziału (współczynników β), na podstawie których możemy określić współczynniki frakcjonowania izotopowego równowagi: δA-δB = 1000 × (ln ßA-ln ßB), gdzie A i B są dwiema różnymi fazami zainteresowania. Dauphas et al. (15) zapewniło doskonałe wprowadzenie do tej techniki i jej zastosowanie do geochemii izotopów. Główną zaletą eksperymentów NRIXS jest to, że możemy badać właściwości wibracyjne jednej fazy na raz. Bardziej tradycyjne metody stosowane do pomiaru frakcjonowania izotopów wymagają posiadania dwóch faz w równowadze, które następnie muszą być oddzielone i analizowane pod kątem ich współczynników izotopowych.

przeprowadziliśmy wysokociśnieniowe eksperymenty NRIXS w sektorze 16-ID-D (HPCAT) Zaawansowanego Źródła fotonów w Argonne National Laboratory. Otrzymaliśmy widma energii od -120 meV do +150 meV w krokach 0,5 meV z rozdzielczością energetyczną 2 meV. Czas liczenia wahał się od 6 do 7 s na punkt, przy czym każde skanowanie NRIXS trwało około 1 godziny i 19 do 50 skanów na punkt nacisku. W stu procentach wzbogacony izotopowo proszek 57FeO, 57fe3c lub 57fe został załadowany do komory próbkowania wywierconej w uszczelce berylowej w panoramicznej komórce Kowadła diamentowego. W przypadku wodorku komora została obciążona czystym 57Fe i płynem H2, który zareagował, tworząc FeHx. Ciśnienie skalibrowano przy użyciu skali ruby w hpcat (16). Obliczyliśmy również teoretyczne współczynniki β na podstawie poziomów drgań różnych struktur izotopowych. Obliczyliśmy je za pomocą teorii perturbacji funkcjonalnej gęstości (17) w implementacji ABINITU i kwantowej (18, 19) z falami płaskimi i pseudopotencjałami, z których otrzymaliśmy teoretyczną gęstość fononową Stanów (20).

znaleźliśmy liniowe relacje z ciśnieniem dla Fe, Fe3C, FeHx i FeO, które wykazały doskonałą zgodność z naszymi teoretycznymi obliczeniami współczynników β(rys. 1). Każda faza wykazuje wzrost współczynnika β wraz z ciśnieniem; ponadto nachylenia każdej linii są różne. Frakcjonowanie izotopowe między każdą fazą a czystym metalem Fe wykazuje różne nachylenia i Przechwyty wskazujące na różne zależności ciśnienia (rys. 2). Możemy to wyjaśnić oczekiwanymi różnicami w wiązaniu żelaza i jego różnych pierwiastków stopowych.

1 zależność ciśnienia czynnika β 57 / 54fe dla różnych badanych faz żelaza.

widać wyraźną zależność ciśnienia od czynnika β dla wszystkich analizowanych faz. A) współczynnik β jako funkcja ciśnienia dla czystego Fe. Szare kwadraty to dane eksperymentalne, zielone koła to obliczenia teoretyczne. (B) czynnik β jako funkcja ciśnienia dla Fe3C. czarne kwadraty są danymi eksperymentalnymi; zielone koła są obliczeniami teoretycznymi. C) Czynnik β jako funkcja ciśnienia dla FeHx. Niebieskie kwadraty to dane eksperymentalne, zielone koła to obliczenia teoretyczne. D) czynnik β jako funkcja ciśnienia dla FeO. Czerwone kwadraty są danymi eksperymentalnymi. Każdy punkt ciśnienia był mierzony co najmniej 19 razy i aż 40 razy. Błędy w danych doświadczalnych wynoszą ±2 SD.

Fig. 2 Różnica w stosunku izotopów żelaza stopu w odniesieniu do czystego Fe w funkcji ciśnienia.

czerwona linia jest różnicą stosunku izotopów FeO-Fe, Niebieska linia To FeHx-Fe, a czarna linia To Fe3C – Fe. Gdzie linie przecinają 0 Na osi y oznacza ciśnienie, w którym nie ma frakcjonowania izotopowego między fazami a czystym Fe. Frakcjonowanie izotopu żelaza zmienia się wraz z ciśnieniem. Δ57Fealloy-Fe = δ57Fealloy – δ57FeFe = 103 × (LN ßalloy57/54fe – ln ßFe57/54fe).

w równowadze frakcjonowanie izotopów jest efektem mechaniki kwantowej spowodowanym różnicami w energii swobodnej struktur zamieszkanych przez różne izotopy. Zależność ciśnienia izotopowego może być wynikiem oddziaływania izotopowego na objętość molową lub może być spowodowana ciągłym usztywnieniem siły w miarę kurczenia się struktur. Wpływ izotopów objętości molowej był szeroko omawiany i występuje, gdy ciężkie izotopy tworzą nieco krótsze wiązania, a zatem pakują się mocniej niż lekkie. Teoretyczne i eksperymentalne badania wpływu izotopów na wielkości molowe pierwiastków o liczbie atomowej obejmującej żelazo (np., węgiel i German) wskazują, że wpływ izotopów na objętość jest bardzo mały w standardowej temperaturze i ciśnieniu(mniej niż jedna część W 10-3 dla 13C w porównaniu do 12c w Diamencie, ~10-5 dla 74ge w porównaniu do naturalnego germanu). Ponadto efekty objętości molowej zanikają wraz ze wzrostem temperatury powyżej temperatury Debye ’ a (21, 22), a także wraz ze wzrostem ciśnienia (22). Dlatego spodziewamy się, że efekt ten będzie znikomy w przypadku frakcjonowania izotopów żelaza w ciśnieniach i temperaturach istotnych dla segregacji rdzenia. Ten sam wniosek został wyciągnięty w poprzednich badaniach teoretycznych frakcjonowania izotopów żelaza pod wysokim ciśnieniem (11). Nasze obliczenia teoretyczne mają na celu zwiększenie stałych sił i odpowiadających im częstotliwości drgań w wyniku usztywnienia wiązań pod wpływem ściskania.

stwierdzamy, że ciśnienie ma wyraźny wpływ na frakcjonowanie izotopów między fazami stałymi i że efekt ten jest inny dla różnych stopów (Fig. 1 i 2). W szczególności stwierdzamy, że stopy żelaza, które badaliśmy, nie koncentrują izotopów żelaza w tym samym stopniu. Ponieważ węgiel, wodór i tlen są kosmochemicznie obfite i zostały zaproponowane jako potencjalni kandydaci do głównego pierwiastka świetlnego w rdzeniach planetarnych, frakcjonowanie izotopów żelaza może być znacznikiem kompozycji pierwiastków lekkich w rdzeniach planetarnych. Stop żelazo-wodór i stop żelazo-węgiel mają największą frakcjonację w stosunku do czystego żelaza w typowym oceanie magmowym na ~ 60 GPa (23). Zawartość wodoru w rdzeniu jest słabo ograniczona, a szacunki wahają się od nieistotnych do równowartości 100 hydrosfer (24). Szacunki zawartości węgla w rdzeniu są mniejsze niż ~1 procent wagowy (25, 26). Ponieważ nasze dane zostały zebrane w temperaturze pokojowej, obliczyliśmy wpływ temperatury na frakcjonowanie bridgmanitu (27) w stosunku do faz żelaza (rys. 3) (18). Przy 3500 K frakcjonowanie dla czystego Fe wynosi ~0,03 na mil ( ‰ ), A Dla FeHx – ~0,07‰.

3 frakcjonowanie izotopów żelaza między fazami bridgmanitu i żelaza w funkcji temperatury.

czerwona linia to różnica proporcji izotopów bridgmanitu-FeO, szara linia to bridgmanit-Fe, czarna linia to bridgmanit-Fe3C, a niebieska linia to bridgmanit-FeHx. W Warunkach powstawania rdzenia we wszystkich stopach można zaobserwować niewielką, ale dającą się rozwiązać frakcjonowanie, przy czym dla Fe3C i FeHx jest znacznie większe niż dla Fe i FeO. Δ57febridgmanit – Fe = δ57febridgmanit – δ57FeFe.

wstępne badania izotopów żelaza na próbkach naturalnych wykazały, że” Ziemia ” (tj. skały pochodzące z płaszcza) wynosiła ~0.1‰ cięższe w δ57/54 od skał z Marsa i Westy (28). Przewidywania (11) doszły do wniosku, że różnicowanie rdzenia z płaszczem pozostawiłoby ślad na sygnaturze izotopu żelaza Ziemi z powodu różnicy stanu walencyjnego Fe między minerałami o niższym płaszczu Fe2+a metalem Fe0 na granicy rdzenia z płaszczem. Badania te sugerowały, że wzbogacenie bazaltów ziemskich i księżycowych w ciężkie izotopy żelaza w stosunku do tych z Marsa lub Westy wynika z równomiernego frakcjonowania izotopów żelaza podczas formowania się jądra Ziemi. Późniejsze wyjaśnienia twierdziły jednak, że masa krzemianowej Ziemi jest chondrytyczna i że to ziemskie bazalty są anomalne (29). Model sugeruje, że skład izotopowy żelaza bazaltów różnił się od składu skały źródłowej, z której pochodzą; to znaczy frakcjonowanie izotopów żelaza następuje podczas częściowego topienia. Dlatego, jeśli masa krzemianu jest chondrytyczna w stosunku izotopów żelaza, powinna mieć δ57/54 0‰. Jeśli tak jest, to każdy element świetlny, który powoduje wystarczająco duże frakcjonowanie przy wysokim ciśnieniu i temperaturze odbiegające od tej wartości, nie może być głównym składnikiem rdzenia. Zastrzeżeniem jest to, że jeśli większość krzemianu Ziemi okazały się być nonchondrytyczne, a następnie element światła, który powoduje frakcjonowanie wystarczająco duże, aby być widoczne – takie jak wodór-byłby najbardziej prawdopodobnym kandydatem na pierwiastek światła w rdzeniu.

nasze wyniki sugerują, że tworzenie się Rdzenia może pozostawić izotopowy ślad na krzemianowej części Ziemi nawet przy najwyższych ciśnieniach i temperaturach. Co więcej, dodanie różnych elementów świetlnych moduluje ten nadruk. W szczególności, nasze wyniki wskazują, że gdyby wodór lub węgiel zostały użyte do wyjaśnienia Deficytu gęstości w jądrze Ziemi, spodziewalibyśmy się podpisu izotopowego odciśniętego w skałach płaszcza, czego nie widać w zapisie skalnym. Brak dowodów na to sugeruje, że wodór i węgiel powinny być wykluczone jako główny pierwiastek światła w jądrze Ziemi (rys. 4). W literaturze istnieją znaczne rozbieżności co do tego, czy węgiel i/lub wodór są prawdopodobnie głównymi składnikami rdzenia , na podstawie innych dowodów, więc badanie to stanowi niezależne ograniczenie. W przeciwieństwie do tego, odkryliśmy, że tlen nie pozostawia odcisku na płaszczu krzemianowym, co oznacza, że przynajmniej dla analizowanych faz tlen jest możliwym elementem światła w rdzeniu (1). Intrygujące jest to, że pierwiastek lekki zmienia stosunek izotopów z tymi składami końcowymi. Należy zbadać wpływ innych pierwiastków lekkich (takich jak krzem i siarka) na stosunek izotopów żelaza, a także wpływ niklu i struktury indukowanej ciśnieniem, przejścia elektroniczne i magnetyczne. Jednak teraz jest jasne, że ciśnienie nie może być ignorowane przy omawianiu równowagi stabilnego frakcjonowania izotopów w głębokiej Ziemi.

4 schemat implikacji tego badania w odniesieniu do stosunku izotopów żelaza obecnego płaszcza.

(a) przekrój Ziemi pokazujący stosunek izotopów żelaza płaszcza po utworzeniu rdzenia, jeśli Fe był jedynym pierwiastkiem w rdzeniu. (B do D) tak samo jak (a), jeśli Wodór (B), tlen (C) lub węgiel (D) były obecne. Wartości 57Femantle w (a) i (C) nie są rozwiązalne przy obecnych możliwościach technologicznych, ale wartości w (B) I (D) są bardzo rozwiązalne

Materiały uzupełniające

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

materiały i metody

tekst uzupełniający

S1 do S7

(33-43)

Referencje i uwagi

↵
1. J. Badro,
2. A. S. Côté,
3. J. P. Brodholt
, a seismologically consistent compositional model of Earth ’ s core. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 111, 7542-7545 (2014). doi: 10.1073 / pnas.1316708111pmid:24821817
↵
1. A. Shahar,
2. V. J. Hillgren,
3. M. F. Horan,
4. J. Mesa-Garcia,
5. L. A. Kaufman,
6. T. D. Mock
, eksperymenty frakcjonowania izotopów żelaza kontrolowanego siarką w tworzeniu rdzeni w ciałach planetarnych. Geochim. Cosmochim. Acta 150, 253-264 (2015). doi: 10.1016 / j.gca.2014.08.011
↵
1. H. W. Joy,
2. W. F. Libby
, Size effects among isotopic molecules. J. Chem. Phys. 33, 1276 (1960). doi:10.1063/1.1731392
↵
1. T. C. Hoering
, wpływ zmian fizycznych na frakcjonowanie izotopowe. Carnegie Inst. Umyć. Yearb. 60, 201–204 (1961).
↵
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
, frakcjonowanie izotopowe tlenu w układzie kwarc-Albit-anortit-woda. Geochim. Cosmochim. Acta 43, 1131-1140 (1979). doi: 10.1016/0016-7037(79)90099-1
↵
1. A. Matthews,
2. J. R. Goldsmith,
3. R. N. Clayton
, Oxygen isotope fractionations involving piroxenes: the calibration of mineral-pair geothermometers. Geochim. Cosmochim. Acta 47, 631-644 (1983). doi:10.1016/0016-7037(83)90284-3
↵
1. V. Polyakov
, on anharmonic and pressure corrections to the equilibrium isotopic constants for minerals. Geochim. Cosmochim. Acta 62, 3077-3085 (1998). doi: 10.1016 / S0016-7037(98)00220-8
↵
1. J. Horita,
2. T. Driesner,
3. D. R. Cole
, wpływ ciśnienia na frakcjonowanie izotopów wodoru między brucytem a wodą w podwyższonych temperaturach. Science 286, 1545-1547 (1999). 10.1126 / nauka286.5444.1545 pmid:10567257
↵
1. F. Poitrasson,
2. M. Roskosz,
3. A. Corgne
, brak frakcjonowania izotopów żelaza między stopionymi stopami i stopem krzemianowym do 2000°C i 7,7 GPa: Eksperymentalne dowody i implikacje dla różnicowania i akrecji Planet. Planeta Ziemia. Sci. Lett. 278, 376–385 (2009). doi: 10.1016 / j.epsl.2008.12.025
↵
1. V. B. Polyakov
, Equilibrium iron isotope fractionation at core-mantle boundary conditions. Science 323, 912-914 (2009). 10.1126 / nauka1166329pmid:19213913
↵
1. J. R. Rustad,
2. Q.-Z. Yin
, frakcjonowanie izotopu żelaza w dolnym płaszczu Ziemi. Nat. Geosci. 2, 514–518 (2009). doi: 10.1038/ngeo546
↵
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
↵
1. V. Polyakov,
2. R. Clayton,
3. J. Horita,
4. S. Mineev
, Equilibrium iron isotope fractionation factors of minerals: Ponowna ocena na podstawie danych o nieelastycznym rezonansowym rozpraszaniu promieniowania rentgenowskiego i spektroskopii Mössbauera. Geochim. Cosmochim. Acta 71, 3833-3846 (2007). doi: 10.1016 / j.gca.2007.05.019
↵
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
, a general moment Nrixs approach to the determination of equilibrium Fe isotopic fractionation Factors: Zastosowanie do goetytów i jarosytów. Geochim. Cosmochim. Acta 94, 254-275 (2012). doi: 10.1016 / j.gca.2012.06.013
↵
1. H. K. Mao,
2. J. Xu,
3. P. M. Bell
, Kalibracja manometru rubinowego do 800 kbar w Warunkach quasi-hydrostatycznych. J. Geophys. Res. 91, 4673-4676 (1986). doi: 10.1029 / JB091iB05p04673
↵
1. S. Baroni,
2. s. de Gironcoli,
3. A. Dal Corso,
4. P. Giannozzi
, Phonons and related crystal properties from density-functional perturbation theory. Ks. Mod. Phys. 73, 515–562 (2001). doi: 10.1103 / RevModPhys.73.515
↵
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: First-Principles approach to material and Nanosystem Properties. Comput. Phys. Commun. 180, 2582–2615 (2009). doi:10.1016 / j. KPC.2009.07.007
↵
1. P. Giannozzi,
2. S. Baroni,
3. N. Bonini,
4. M. Calandra,
5. R. Car,
6. C. Cavazzoni,
7. W.,
8. G. L. Chiarotti,
9. M. Cococcioni,
10. I. Dabo,
11. A. Z Kursu,
12. S. de Talia,
13. S. Fabric,
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: a modular and open-source software project for Quantum simulations of materials. J. Phys. Kondensatory. Sprawa 21, 395502 (2009). doi:10.1088/0953-8984/21/39/395502pmid:21832390
↵Zobacz materiały uzupełniające na temat Science Online.
↵
1. R. C. Buschert,
2. A. E. Merlini,
3. S. Pace,
4. S. Rodriguez,
5. M. H. Grimsditch
, wpływ stężenia izotopu na parametr sieciowy kryształów doskonałych germanu. Phys. Rev. B 38, 5219-5221 (1988). doi: 10.1103 / PhysRevB.38.5219
↵
1. C. P. Herrero
, the isotopic mass and lattice parameter of diamond; a path-integral simulation. J. Phys. Kondensatory. Matter 13, 5127-5134 (2001). doi: 10.1088/0953-8984/13/22/309
↵
1. J. Siebert,
2. J. Badro,
3. D. Antonangeli,
4. F. J. Ryerson
, Akrecja lądowa w Warunkach utleniania. Nauka 339, 1194-1197 (2013). 10.1126 / nauka1227923pmid:23306436
↵
1. Q. Williams,
2. R. J. Hemley
, Wodór w głębokiej Ziemi. Annu. Wielebny Planeta Ziemi. Sci. 29, 365–418 (2001). doi: 10.1146 / annurev.Ziemia.29.1.365
↵
1. B. Drewno,
2. J. Li,
3. A. Shahar
, węgiel w rdzeniu: jego wpływ na właściwości rdzenia i płaszcza. Rev. Mineral. Geochem. 75, 231–250 (2013). doi: 10.2138 / Dom Generalny2013.75.8
↵
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
, Ukryty węgiel w wewnętrznym rdzeniu Ziemi ujawniony przez ścinanie w gęstym Fe7c3. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 111, 17755–17758 (2014).pmid:25453077
↵
1. o. Tschauner,
2. C. Ma,
3. J. R. Beckett,
4. C. Prescher,
5. V. B. Prakapenka,
6. G. R. Rossman
, odkrycie bridgmanitu, najobficiej występującego minerału na ziemi, w wstrząsającym meteorycie. Nauka 346, 1100-1102 (2014). 10.1126 / nauka1259369pmid:25430766
↵
1. F. Poitrasson,
2. A. N. Halliday,
3. D. C. Lee,
4. s. Levasseur,
5. N. Teutsch
, różnice izotopów żelaza między Ziemią, Księżycem, Marsem i Westą jako możliwe zapisy skontrastowanych mechanizmów akrecji. Planeta Ziemia. Sci. Lett. 223, 253–266 (2004). doi: 10.1016 / j.epsl.2004.04.032
↵
1. P. R. Craddock,
2. J. M. Warren,
3. N. Dauphas
, perydotyty Abisyczne ujawniają prawie chondrytyczny skład izotopowy Ziemi. Planeta Ziemia. Sci. Lett. 365, 63–76 (2013). doi: 10.1016 / j.epsl.2013.01.011
↵
1. R. Caracas
, wpływ wodoru na właściwości sejsmiczne stałego żelaza. Geophys. 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
, pierwsze zasady obliczeń równań stanu i względnej stabilności węglików żelaza przy ciśnieniu rdzenia Ziemi. Russ. Geol. Geophys. 56, 164–171 (2015). doi: 10.1016 / j. rgg.2015.01.010
↵
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. Q. Baron
, Sci. ADV. 2, e1500802 (2016). doi: 10.1126 / sciadv.1500802pmid:26933678
↵
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. Geophys. Res.Lett. 31, L15618 (2004). doi: 10.1029 / 2004GL020541
1. M. M. Elcombe,
2. J. R. Hulston
, Calculation on sulphur isotope fractionation between sfalerite and galena using lattice dynamics. Planeta Ziemia. 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
, frakcjonowanie izotopu żelaza między pirytem (FeS2), hematytem (Fe2O3) i syderytem (Fes2o3). FeCO3): Studium teorii funkcjonalnej gęstości na pierwszych zasadach. 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, weryfikacja kodów pierwszych zasad: porównanie energii całkowitych, częstotliwości fononu, sprzężenia elektron-fonon i korekcji ruchu punktu zerowego do szczeliny między ABINITEM a QE / Yambo. Comput. Złomku. 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. Wielebny Lett. 54, 16533–16539 (1996). doi: 10.1103 / PhysRevB.54.16533
1. B. N. Brockhouse,
2. H. E. Abou-Helal,
3. E. D. Hallman
, drgania sieci w żelazie w temperaturze 296°K. półprzewodnikowe. 5, 211–216 (1967). doi: 10.1016 / 0038-1098(67) 90258-X
1. E. Knittle,
2. R. Jeanloz,
3. G. L. Smith
, rozszerzalność cieplna perowskitu krzemianowego i stratyfikacja płaszcza Ziemi. Nature 319, 214-216 (1986). doi: 10.1038 / 319214a0
1. B. Chen,
2. L. Gao,
3. K. Funakoshi,
4. J. Li
, rozszerzalność cieplna stopów bogatych w żelazo i implikacje dla jądra Ziemi. 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. Kondensatory. 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. Planeta Ziemia. Sci. Lett. 398, 127–140 (2014). doi: 10.1016 / j.epsl.2014.04.033
↵
1. C. A. Murphy,
2. J. M. Jackson,
3. W. Sturhahn
, Experimental constraints on the thermodynamics and sound velocities of hcp-Fe to core Pressure. J. Geophys. 118, 1999-2016 (2013). doi: 10.1002 / jgrb.50166

podziękowania: wspierane przez Uniwersytet Stanforda Blaustein Fellowship, podczas którego rozwijał się ten projekt, i NSF Grant EAR1321858( as); NSF grant EAR1464008 (as I W. M.); NSF grant EAR1530306 (E. A. S.); I CNRS PICS grant Carmelts i eDARI/CINES grant x2015106368 dla zasobów obliczeniowych (R. C.). Pełne tabele danych dla tego badania można znaleźć na www.gl.ciw.edu/static/users/ashahar/shahar_nrixs/. dziękujemy czterem anonimowym recenzentom za bardzo pomocne komentarze i sugestie.

zależny od ciśnienia skład izotopowy stopów żelaza

izotopy żelaza ograniczają chemię rdzenia

Streszczenie

Materiały uzupełniające

Referencje i uwagi

Published by admin

Dodaj komentarz Anuluj pisanie odpowiedzi