地質地球所等發表地核中碳、氮、氫等輕元素含量研究成果

　　地球科學最基本的一個科學問題是地球的成分是什么。這個問題也是地球科學的一個終極問題。對這個問題的探索，需要綜合地球科學的各個分支學科（包括地球物理、地球化學等），需要綜合對地球不同部分的研究成果（包括大氣、地殼、地幔和地核），才能對這個問題有所回答。因此，地球的成分是一個提綱挈領性的科學問題。其中，地核的成分是這個總問題下的一個分問題。對地核成分的研究是一個綜合性極強的研究，需要各個學科使用最先進的武器，最有創意的思想。

　　Birch在60年前（1952年）研究發現地核密度比純鐵在高溫高壓下的密度低，地核中必須有比鐵輕的元素存在，從而提出地核密度缺失（core density deficit）和輕元素（light elements）兩個概念。由于地核輕元素與地球歷史早期核幔分異過程、固態內核生長、地核熱結構、產生地球磁場的地核發電機工作機制等重大地球深部科學問題密切相關，因此，人們對這一科學問題開展了大量的研究。傳統的研究地核成分的方法包括：（1）地震學和礦物物理學相結合，通過對比地震學獲得的地核的波速和密度與礦物物理學在高溫高壓下獲得的各種物質的波速和密度，來獲得地核成分；（2）地球化學和宇宙化學相結合，利用不進入地核的親石元素建立元素揮發性曲線（element volatility curve），利用親鐵元素歸并到該曲線上所需要的量即可獲得地核成分。

　　目前一系列證據表明，地球形成早期核幔分異是在巖漿洋（magma ocean）條件下進行的。在熔融條件下，匯聚到地球上的物質分成兩相，鐵進入地核，硅酸鹽留在地幔。通過研究元素在液態鐵和硅酸鹽之間的分配可以獲得地核的成分。過去，人們開展了大量的高溫高壓實驗來獲得各種元素的配分系數。但由于實驗和分析條件的限制，高溫高壓下的數據仍然很少，一些重要元素，如對生命起源和氣候環境變化具有重要意義的碳（C）的配分系數仍然缺失。

　　中科院地質與地球物理研究所中科院地球深部研究重點實驗室的張毅剛研究員和美國加州大學戴維斯分校地質系尹慶柱教授合作，采用第一原理分子動力學這一量子力學理論計算方法，獲得了包括碳在內的一系列元素的配分系數。他們在計算過程中采用了自行研發的、結合了計算幾何的兩相法分子動力學（如圖），利用了中科院地球深部研究重點實驗室并行計算中心強大的計算能力。通過這些基礎性的配分數據，他們進一步探討了碳、氮、氫等元素在地核、地幔中的含量，為進一步研究這些揮發性元素對地核和地幔演化所起的作用打下基礎。他們的研究成果11月27日發表在國際著名期刊《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。

　　兩相法第一原理分子動力學模擬結果。中間為鐵相，周圍為硅酸鹽相，通過計算幾何方法獲得兩相成分來獲得元素配分系數。