学术研究报告：Fe-S体系在44 GPa压力下的共晶熔化研究

一、作者与发表信息
本研究的通讯作者为Reinhard Boehler，第一作者为Liudmila Chudinovskikh，两人均来自德国马克斯·普朗克化学研究所（Max-Planck-Institut für Chemie）。研究论文发表于2007年2月的《Earth and Planetary Science Letters》（EPSL）期刊，标题为“Eutectic melting in the system Fe–S to 44 GPa”。

二、学术背景
地球外核的密度低于纯铁的理论预测值，表明其中存在轻元素（如硫、氧等）。硫（Sulfur, S）是核心轻元素的主要候选之一，其与铁（Iron, Fe）的共晶（eutectic）关系对理解地核温度结构和行星（如火星）的核态至关重要。然而，此前高压下Fe-S体系的共晶熔点数据存在显著分歧：金刚石压砧（Diamond Anvil Cell, DAC）实验显示熔融抑制效应微弱，而多砧压机（Multi-Anvil Press）实验则支持更低的共晶温度。本研究旨在通过改进的实验技术，重新测定22–44 GPa压力范围内Fe-S体系的共晶熔融关系，以解决这一争议。

三、研究流程与方法
1. 样品制备
- 材料选择：使用高纯度铁粉（1–3 μm粒径）与硫粉（1–5 μm粒径）混合，硫粉在液氮环境下研磨以细化颗粒。
- 均匀化处理：将Fe与S按10–16 wt.% S的比例在乙醇中低温混合，真空干燥以避免氧化。

1. 高压实验装置

   • 金刚石压砧（DAC）：采用自主设计的DAC装置，以氩气（Argon）作为压力介质，压力通过红宝石荧光法标定（精度±0.2 GPa）。
     
   • 激光加热：使用双二极管泵浦Nd:YVO4激光器（最大功率80 W），通过散焦光束实现10 μm直径区域的均匀加热，温度通过普朗克辐射法测量（误差±100 K）。
     

2. 熔融检测技术

   • 回收样品分析：通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱（EDX）分析淬火样品，识别熔融特征（如骨架结构、共晶共生体）。
     
   • 原位激光散斑法对比：部分实验采用原位激光散斑法（in situ laser-speckle method）检测熔融，但发现其会高估固相线温度。
     

3. 实验设计

   • 分步升温：以50–100 K为步长逐步接近共晶温度，每次加热持续5–46分钟，确保亚固相反应完成。
     
   • 压力范围：覆盖22–44 GPa，重点测定Fe-S共晶成分随压力的变化。
     

四、主要结果
1. 共晶温度与压力关系
- 在44 GPa下，共晶熔点为约1000 K，显著低于纯铁的熔点（4850±200 K），且比早期DAC研究低300 K。
- 共晶成分随压力增加向贫硫方向偏移（图5），44 GPa时硫含量趋近10 wt.%。

1. 方法学验证

   • SEM回收分析显示，原位激光散斑法因难以检测小熔融区域而高估固相线温度，支持多砧压机数据的可靠性。
     

2. 行星科学意义

   • 火星核心：若火星核含硫量≥7 wt.%，其核心温度（2200–2400 K）远高于共晶熔点，支持完全液态核模型。
     
   • 地核温度：共晶熔融抑制效应表明，地核边界的温度可能低于4000 K，缩小了核幔边界的温度跃迁幅度。
     

五、结论与价值
1. 科学价值
- 首次系统测定了Fe-S体系在22–44 GPa的共晶熔融曲线，为地核热结构模型提供了关键约束。
- 证实硫作为轻元素可显著降低铁熔点，支持地核硫含量低于10 wt.%的假说（与地震密度数据一致）。

1. 技术创新
   
   • 开发了高均匀性样品制备与SEM回收分析技术，解决了多组分体系高压熔融检测的难题。
     

六、研究亮点
1. 高压实验突破：通过优化激光加热与样品设计，实现了Fe-S体系在极端条件下的精确熔融测定。
2. 行星应用：为火星核的液态状态提供了实验证据，并重新评估了地核温度梯度。
3. 争议解决：调和了DAC与多砧压机数据的矛盾，确立了共晶熔融抑制效应的压力依赖性。

七、其他发现
实验中发现Fe₃S和Fe₂S等中间相的存在（表1），表明Fe-S体系在高压下的复杂相行为，未来需结合X射线衍射进一步解析其晶体结构。

（注：原文中“eutectic melting”译为“共晶熔融”，“solidus”译为“固相线”，“liquidus”译为“液相线”）