Superionic hcp-Fe alloys and their seismic velocities in Earth’s inner core

内芯 材料科学 土(古典元素) 扩散 外堆芯 剪切(地质) 凝聚态物理 分子动力学 热力学 矿物学 地质学 化学 物理 复合材料 计算化学 数学物理
作者
Yu He,Shichuan Sun,Duck Young Kim,Bo Gyu Jang,Heping Li,Ho-kwang Mao
出处
期刊:Research Square - Research Square
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-108794/v1
摘要

Abstract Earth’s inner core (IC) is less dense than pure iron, indicating the existence of light elements within it 1 . Si, S, C, O, and H have been suggested to be the candidates 2,3 , and the properties of Fe-light-element alloys were studied to constrain the IC composition 4-19 . Light elements have a significant influence on seismic velocities 4-13 , melting temperatures 15-17 , and thermal conductivities of Fe-alloys 18,19 . However, the state of the light elements in the IC is rarely considered. Using ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations, we found that H, O, and C in hexagonal close-packed (hcp) Fe transform to a superionic state under IC conditions, showing high diffusion coefficients like liquid. It suggests the IC can be in superionic state rather than normal solid state. The liquid-like light elements lead to a significant reduction in the seismic velocities approaching the seismological observation of the IC 20,21 . The significant decrease in shear wave velocity (V S ) gives an explanation on the soft IC 21 . In adddtion, the light-element convection in the IC has potential influence on the IC seismological structure and magnetic field.
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