长期以来,科学家们一直在研究包括我们地球在内的太阳系中多岩石星球的含金属内核是如何形成的。根据德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的研究表明,熔化的金属通过岩石颗粒之间的微小通道,向下渗透到星球的中心。
过去的研究结果表明,大部分的熔融金属被困在晶粒间的空隙中。相比之下,新的研究表明,一旦这些分离的孔隙变得足够大,可以连接,熔化的金属就会开始流动,而且大部分都能沿着晶粒边界界渗透。这个过程会让金属从地幔中流出,在中心积聚,形成一个金属核心,就像我们的地球中心的铁心一样。
“我们要说的是,一旦熔化连接起来,它就能一直保持连接直到几乎所有的金属都在核心中,”UT杰克逊地球科学学院地质科学系的成员马克•Hesse教授说。
这项研究发表在12月4日的《美国国家科学院院刊》上。这项工作是Soheil Ghanbarzadeh博士的博士论文,他在石油和地球系统工程学院(现在是Hildebrand Department of Petroleum and Geosystems Engineering)获得了博士学位。他目前是BP美国公司的油藏工程师。
行星(小行星和大小行星)主要是由硅酸盐岩石和金属形成的。行星形成过程的一部分包括最初的物质质量分成金属核和硅酸盐外壳,由地幔和地壳组成。对于岩心形成的渗流理论,行星体中绝大多数的金属必须向中心方向运动。
在本研究中,Ghanbarzadeh开发了一种计算机模型,模拟了岩石颗粒间的熔体的分布,如孔隙率,或熔体比例增加或减少。模拟结果在德克萨斯高级计算中心完成。研究人员发现,一旦金属开始流动,即使熔体比例大幅下降,它也可以继续流动,滴流是解决行星核心形成问题的方法。
根据计算机模型,当渗透停止时,只有1%到2%的初始金属会被困在硅酸盐地幔中,这与地幔中金属的数量是一致的。
研究人员指出,岩石颗粒的排列方式解释了晶粒间的连通程度的差异。之前的研究使用了一种常规的、完全相同的谷物的几何图形,而新的这项研究依赖于使用不规则的谷物几何形状的模拟,这被认为更接近真实的现实情况。利用x射线微断层扫描扫描的多晶钛样本数据生成几何图形。
普罗达诺维奇说:“在他的博士论文中,有一个三维模型是理解和量化熔融的关键。”
这一努力得到了回报,因为研究人员发现,几何图形对熔化连通性有很强的影响。在不规则的颗粒中,熔体通道的宽度变化很大,即使在大部分金属流失的时候,融化的通道仍然保持着连通。
Ghanbarzadeh说。研究人员还将他们的研究结果与一个陨石的金属熔体网络进行了比较,在杰克逊学校的高分辨率x射线CT设备上拍摄的陨石x射线照片显示,其中的金属分布与计算出的熔化网络相媲美,这种对比表明,他们的模拟计算出了在陨星上观察到的特征。
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