水调控的地核-地幔分异作用重塑地球初始成分与系外行星演化模式

《SCIENCE ADVANCES》：Earth’s core-mantle differentiation shaped by water

本研究针对水(H2O)对地球核幔分异过程中元素分配行为影响机制不清的关键科学问题，通过机器学习分子动力学模拟结合量子力学数据，首次建立了含水岩浆洋的核幔分异自洽模型。研究发现水含量增加会促进镁(Mg)向金属核分配，而硅(Si)、铁(Fe)、氢(H)则更倾向于进入硅酸盐地幔。模型约束地球整体水含量约为0.23 wt%（相当于10个海洋质量），地幔Mg/Si比为1.25-1.28，地核含有3.5-4.1 wt% Si、2.9-3.1 wt% O等轻元素。该研究为理解类地行星形成演化提供了新范式，预示富含水的超级地球仍可保留大型金属核。

　　

地球的形成演化历程中，核幔分异是最为关键的化学分异事件，这一过程决定了地核和地幔的初始化学成分，不仅揭示了地球建造材料的来源和性质，更为理解地磁场成因和地幔不均一性提供了基础。金属-硅酸盐分配过程中关键元素（氢(H)、氧(O)、镁(Mg)、硅(Si)、铁(Fe)）的行为是约束初始金属核和硅酸盐地幔成分的关键。然而，由于深部陆地岩浆洋中高压高温条件下复杂的化学反应，控制元素分配的基本化学过程仍不清晰。

水(H₂O)作为地球上最丰富的挥发性物种之一，可能显著影响核幔形成过程中的金属-硅酸盐化学反应。H₂O可能催化化学反应并作为氧化剂，影响变价元素的分配行为。多项证据支持含水岩浆洋的存在，例如近期行星形成模型表明地球吸积期间可能接受了10-100个海洋质量的H₂O。然而，由于实验和从头计算(ab initio calculations)的技术挑战，仅有少数研究探讨了H₂O在金属-硅酸盐元素分配中的作用，且大多在低压条件下进行。H₂O如何同时竞争性地影响主要元素（H、O、Mg、Si、Fe）在大多数核形成条件下的分配行为仍属未知，这使确定地球初始核幔成分（包括其H₂O含量）变得复杂。

为解决这一难题，研究人员在《科学进展》(SCIENCE ADVANCES)上发表了题为"水调控的地核-地幔分异"的研究论文。该研究通过构建自洽的含水岩浆洋核幔分异模型，为同时约束地核、地幔初始成分和岩浆洋水含量提供了新方法。

研究团队首先基于密度泛函理论(DFT)的从头算分子动力学(AIMD)数据，训练了针对H-O-Mg-Si-Fe体系的统一机器学习势函数，随后开展了大规模分子动力学模拟，研究具有类地成分的金属-硅酸盐共存体系中的核幔分异过程。关键技术方法包括：基于投影缀加波(PAW)方法和PBEsol交换关联泛函的AIMD模拟；使用平滑版本深度势函数(Deep Potential)的机器学习分子动力学(MLMD)模拟；吉布斯分界面方法识别金属和硅酸盐相；热力学积分技术计算化学势差；以及ε模型描述金属熔体中轻元素的活度系数。

核幔分离

模拟揭示了系统首先发生分相，形成富铁簇团，随后这些小簇团合并成单个被硅酸盐包围的含轻元素大金属簇团。通过统计各元素在金属和硅酸盐相中的原子数，计算了相应的金属-硅酸盐分配系数。

氢的金属-硅酸盐分配

计算得到的H分配系数(D_H)平均约为5-6，与近期采用不同方法（基于H₂O化学势）的从头算研究结果吻合良好。研究发现H₂O的亲铁性随压力增加而增强，但在高H₂O含量(>4 wt%)时压力依赖性变得不显著。H₂O在较低Mg/Si比(1.09)下表现出更强的亲铁性。

镁、硅和铁的金属-硅酸盐分配

计算表明D_Mg随H₂O含量和Mg/Si比增加而增加。D_Si和D_Fe通常随H₂O含量和Mg/Si比增加而减小，表明H₂O/O氧化了Si和Fe。有趣的是，在135 GPa、较低Mg/Si比(1.09)和低H₂O含量(<1 wt%)条件下，D_Fe初始增加，这可能是因为H₂O主要氧化Si，反应产生的H可能还原FeO。

地球整体成分

通过热力学模型拟合计算得到的分配系数，研究人员推导出H₂O含量、Mg/Si比、地核质量分数和氧逸度之间的相关性，以约束地球初始H₂O含量和整体成分。基于50 GPa/3500 K条件下的单阶段核形成模型，研究估计地球整体含有约0.20-0.28 wt% H₂O（相当于8.7-12.2个海洋质量）。考虑Ca/Al比为0.72校正后，地球整体Mg/Si比确定为1.16±0.01，高于基于同位素异常的石陨石主导成分模型预测值(~0.89)。

地核和地幔成分

根据地幔Mg/Si比约1.20-1.22（校正Ca/Al比后为1.25-1.28），与上地幔Mg/Si比(1.25-1.27)一致，支持全地幔搅拌模型。地核成分估计含有3.5-4.1 wt% Si、2.9-3.1 wt% O、0.11-0.14 wt% Mg和0.04-0.10 wt% H。早期富Si和O的地核可能析出SiO₂，驱动和维持地磁场。

富水系外行星的核大小

研究发现即使地球大小的系外行星含有高达5 wt%的H₂O，仍能维持足够大的金属核。增加H₂O主要产生更富FeO的地幔和更富H、O的地核，而非减小地核规模。这拓宽了可能拥有金属核的富含挥发性物质行星的范围，暗示一些处于质量-半径"水世界"趋势上的低密度行星可能隐藏着金属核。

该研究通过建立含水条件下的核幔分异自洽模型，为解决地球初始成分和挥发性物质含量这一长期争议问题提供了新约束。研究揭示的水对元素分配行为的影响机制，不仅深化了对地球形成演化的认识，也为理解系外类地行星的多样性和演化路径提供了重要理论基础。研究结果表明，行星的氧化还原平衡和挥发性物质含量共同决定了其内部结构和成分，这为未来系外行星观测和内部结构模型提供了关键参数。