行星内部的晶界变弱
地球等行星的地幔对流和相关板块构造受地幔岩石变形控制。这种变形是通过矿物晶格缺陷的运动发生的。因此，这些结构缺陷在压力下的物理特性对类地行星的动力学具有深远的影响。
我们的合作研究团队由 Sebastian Ritterex 博士领导，他曾是爱媛大学地球动力学研究中心的博士后，现在是乌得勒支大学地球科学系的研究员，他们应用基于量子力学原子尺度建模的大规模并行高性能计算机模拟，揭示了在行星内部普遍存在的极端压力下晶界的神秘行为。这种理论方法称为“从头计算模拟”，使我们能够非常准确地计算化学键。它是确定行星内部极端条件下材料特性的有力工具，在这种条件下很难进行实验。
基于上述理论矿物物理方法，本研究团队研究了 (Mg,Fe)O 铁方镁石中高角度倾斜晶界的力学行为和热力学性质。铁方镁石是地球下地幔中第二丰富的矿物，也可能存在于超级地球系外行星的地幔中。在本研究中，除了标准密度泛函理论外，还采用了内部一致的 LDA+U 方法，以更准确地再现铁的电子结构。
机械行为的结果表明，类地行星的极高压条件对控制晶间变形的晶界运动机制有很大影响(图 1)。我们的研究首次证明，随着行星地幔深度的增加，压力引起的晶粒界面结构转变会引发晶界运动机制和方向的变化。我们还证明了在几兆巴压力下，晶界会发生显著的机械弱化(图 1)。这是违反直觉的，因为通常认为，随着压力的增加，材料中的原子排列会变得更加紧密，从而使其变得更硬。这种晶界弱化现象是由于晶界在极高压下运动时过渡态结构的变化引起的。2024 年 4 月发表在《地球物理研究杂志：固体地球》上的数据分析表明，铁方镁石中的晶界弱化是超地球系外行星地幔深度增加导致粘度降低的潜在机制之一。
我们的团队对块体和晶粒边界之间的铁分配行为进行了额外的热力学建模。我们确定，晶粒大小是控制热致密下地幔中多晶铁方镁石中铁的晶界偏析的重要因素。众所周知，块体 MgO 中取代 Fe(II) 的加入会对其物理性质(如密度和波速度)产生重大影响，因为 Fe(II) 在地球内部的高压下会发生电子自旋跃迁。之前没有关于晶界内 Fe(II) 自旋状态的信息。我们的建模现在表明，铁方镁石倾斜晶界内 Fe(II) 的电子自旋状态受地球下地幔高压下结构晶界转变的控制。这种机制影响了微米级或更小晶粒尺寸的多晶 (Mg,Fe)O 中铁自旋交叉的压力条件。研究结果表明，与下地幔中热力学更稳定的区域相比，动态活跃的细粒下地幔区域中的压力诱导结构晶界转变会导致铁方镁石中的铁自旋交叉压力增加几十 GPa。
我们的团队对这些突破感到非常高兴，但是需要来自理论建模以及实验和电子显微镜观察的更系统的数据，以便更好地了解晶界对行星地幔中适当压力和温度下多晶铁方镁石流变和热力学性质的集体影响。
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