Nature Geoscience：FeO的超高壓相變及其對系外行星内部的啟示

在過去數十年裡，數以千計的系外行星被發現，其中包括許多比地球體積更大、内部溫度壓力更高的岩質系外行星。目前，大多數描述這些岩質系外行星内部成分的模型都是基于地球分層結構的縮放版本，即由矽酸鹽為主的幔包圍着鐵核。雖然這些模型便于我們理解岩質系外行星的内部結構和組成，卻忽略了大型岩質系外行星（比地球體積或質量大）中極端溫度和壓力條件所造成的物質屬性變化。例如，Unterborn and Panero(2019)認為，即便岩質系外行星的半徑很可能被限制在小于1.5倍地球半徑之内，其最大預期的核-幔邊界壓力和絕熱溫度仍可以達到630 GPa和5000K。這些極端高壓和高溫條件下系外行星内部物質的性質，實驗數據仍然非常缺乏。

FeO是岩質系外行星内部可能的重要組成礦物端元。McCammon et al.(1983)依據有限的實驗數據提出，FeO的高壓相變可以阻礙其與B1-MgO形成固溶體。而新的實驗表明，FeO和MgO在高達150GPa的地球地幔壓力下可完全混溶，此時(Mg Fe)O為B1相，并且不經曆任何結構變化(Deng et al., 2017)。但是，在更高的壓力和溫度下，FeO和MgO是否完全混溶，或者是否會發生類似McCammon等人早年提出的相分離呢？

帶着這個問題，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和普林斯頓大學地球科學系等單位的學者，利用激光驅動動高壓技術，結合原位納秒X射線衍射技術，測定了FeO在超高壓和高溫條件下的晶體結構和狀态方程(Coppari et al., 2021)。該研究表明，FeO的相圖要遠比MgO複雜(圖1)：除了前人得到的若幹種相對低壓相之外，在300-700GPa範圍内FeO為B2相，其相變壓力遠低于MgO的B1-B2相變壓力（600GPa以上）。與此同時，相同溫壓條件下FeO的密度要遠大于MgO(圖2)。作者認為，FeO和MgO在B1-B2結構轉變壓力的差異可能影響MgO-FeO系統的混合行為，從而對2–5倍地球質量(M⊕)岩質系外行星(圖2中的白色背景)的内部結構産生重要影響。

圖1 FeO超高壓相圖（Coppari et al., 2021）。陰影區域對應FeO不同結構的穩定域，高于300 GPa(藍色橢圓形)的數據與大型岩質系外行星的地幔條件有關(灰色曲線表示5M⊕岩質系外行星内部的溫度壓力曲線，其核-幔邊界條件約為650GPa/5500K)

圖2 (Mg,Fe)O及其端元的壓力-密度關系（Coppari et al., 2021）。B2-FeO的密度值(藍色圓圈)與金剛石壓腔實驗得到的不同結構FeO密度值（B1:紅色三角形、正方形、右三角、菱形；B8:黃色三角形、菱形、正方形；B2:藍色正方形），陰影帶表示FeO化學計量可能變化的密度範圍；MgO的壓力-密度關系(B1:紅色點-虛線；B1/B2:紅色和藍色空心菱形)；不同成分(Mg, Fe)O的壓力-密度關系 (交叉圓圈和正方形)。紅色和藍色背景表示相同結構MgO和FeO的壓力範圍。右軸顯示了岩質系外行星的不同質量尺度，左軸顯示了對應質量尺度的類地行星核-幔邊界的壓力

為了論證他們的觀點，Coppari等人進一步地采用理想混合模型試圖定量地闡明(Mg,Fe)O在超高壓下的混合特性，得到了4000K時二元MgO-FeO系統的相圖(圖3a)。可以看到，B1/B2結構共存區域存在于270GPa和600GPa之間(分别是兩端元在4000K時的B1-B2相變壓力，具體取決于成分)。紅色箭頭表示具有B1結構的代表性樣品(Mg0.6, Fe0.4)O固溶體随壓力升高的演變路徑。在約430GPa時，固溶體分解成富含B1-MgO的相和富含B2-FeO的相，其組成随着壓力的進一步增加而改變，如圖3a虛線所示。在530GPa以上，二元體系恢複初始組成，同時兩端元完全轉變為B2結構。這意味着鐵方鎂石的B1-B2相變是通過成分的逐漸變化進行的，B2富Fe相随着壓力的增加而出現。這意味了岩質系外行星的核幔邊界之上，可能存在新的分層(如圖3b所示)。

作者還提出，具有B2結構區域的形成可能極大地影響該行星深部地幔的流變和動力學行為。由于B1-B2相變的發生時，陽離子的配位數由6增加到8，導緻其擴散速率大幅增加，從而降低了空位擴散的能壘，将增強其擴散蠕變性。因此，從B1結構到B2結構的轉變可能導緻粘度大幅下降，最高可達100倍或更多(甚至達到10,000倍)。最近的地球流變學模型也認為富Fe的(Mg,Fe)O比鐵方鎂石具有更低的粘度(Reali et al., 2019)。由于超高壓條件下富Fe的B2相粘度的明顯降低，聯系到最近的地球動力學模拟(Shahnas et al., 2018)，作者推斷大型岩質系外行星的深部地幔可能在核幔邊界附近形成分層對流，這對行星熱和動力學演化具有重要意義。

圖3 MgO-FeO二元系相圖和5M⊕岩質系外行星的内部結構（Coppari et al., 2021）。（a）随着壓力的增加，含60%MgO的(Mg,Fe)O固溶體的B1-B2相轉變過程。在400GPa以上，最初的B1-(Mg, Fe)O固溶體按照紅色虛線分解成富含B1-Mg和富含B2-Fe的組分。（b）根據圖a描繪出的5M⊕岩質系外行星地幔的示意圖（Bm: 布裡基曼石; pPv:後鈣钛礦），紅線顯示了這種類似地球成分的行星的壓力分布

Coppariet al. (2021)的研究，表明行星内部物質的超高溫高壓性質可能會極大地影響系外行星的内部結構。當然，該研究主要還是基于其新的高溫高壓實驗數據對系外行星内部做的模式化探讨。未來新的深空探測數據将對行星的結構和物質組成給出更多約束，在這些約束下将對實驗、模拟和建模工作提出新的需求和挑戰，不斷推動人們越來越深入地認識行星及其演化規律。

主要參考文獻

Coppari F, Smith R F, Eggert J H, et al. Experimental evidence for aphase transition in magnesium oxide at exoplanet pressures[J]. NatureGeoscience, 2013, 6: 926-929.

Coppari F, Smith R F, Wang J, et al. Implications of the iron oxidephase transition on the interiors of rocky exoplanets[J]. NatureGeoscience, 2021, 14: 121-126.

Deng J, Lee K K M. Viscosity jump in the lower mantle inferred frommelting curves of ferropericlase[J]. Nature Communications, 2017,8: 1997.

McCammon C A, Ringwood A E, Jackson I. Thermodynamics of the systemFe-FeO-MgO at high pressure and temperature and a model for formation of theEarth’s core[J]. Geophysical Journal International,1983, 72:577-595.

Reali R, Jackson J M, Van Orman J, et al. Modeling viscosity of (Mg,Fe)O at lowermost mantle conditions[J]. Physics of the Earth and PlanetaryInteriors, 2019, 287: 65-75.

Shahnas M H, Pysklywec R N，Yuen D A.Penetrative convection in super-Earth planets: consequences of MgSiO3postperovskite dissociation transition and implications for super-Earth GJ 876d[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2018,123:2162-2177.

Unterborn C T, Panero W R. The pressure and temperature limits oflikely rocky exoplanets[J]. Journal of Geophysical Research: Planets,2019, 124(7): 1704-1716.

（撰稿：牛笑光，張志剛/地星室）

校對：張騰飛、姜雪蛟

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