《自然》：改写教科书！中国科学家揭开地球最深处的秘密

对于地球的结构，我们了解多少？尽管人类钻井只能触及12千米——相当于地球半径的千分之二，但通过地震波和来自深部的岩石，科学家已经为我们呈现出地球的整体结构。

教科书告诉我们，由外至内，地球由地壳、地幔和地核这3个主要圈层构成，而地球的核心又分为液态外核和固态的铁镍内核。其中，最中心的内核主要由内外核之间过渡层的液态铁凝固形成。

随着研究的深入，人们逐渐意识到，地球内部可能比预想的更加复杂。由于内核的密度比纯铁镍核要小，因此科学家认为，地球内核中或许掺杂了一部分轻元素。

在一项发表于《自然》的最新研究中，来自中国科学院地球化学研究所和和北京高压科学研究中心的研究团队提出了地球内核的新模型：内核并不是普通的固体，而是由固态铁晶格和类似液态的轻元素共同组成的超离子态。

超离子态是一种介于固态与液态之间的状态，在行星内部普遍存在。借助计算机模拟，研究团队发现，一些铁-氢、铁-碳和铁-氧复合物可以在内核的高温、高压条件下转变为超离子态。

在这些超离子铁复合物中，铁原子保持有序，组成固态铁的晶格；而轻元素则处于相反的无序状态，像液体一般在晶体内扩散。尤其令人意外的是，这些轻元素在超离子铁复合物中的扩散系数，与在液态铁中的一致——换句话说，它们如同液体一般在内核中移动。

“这一点非常反常。在内核边界处，铁的凝固并未改变轻元素的移动能力，在内核中，这些轻元素的对流依旧存在。”这项研究的领导者，中国科学院地球化学研究所的何宇研究员表示。

关于地球内核，长期以来存在一个未解之谜：地球内核的剪切波波速很慢，那么内核应该是软质的。而在这项研究中，模拟结果显示：在这样的超离子铁复合物中，地震剪切波波速显著下降。这一结果与地震波观测结果相吻合，正是这些“液态”的元素使得内核变软。

高度扩散的轻元素能影响地震波速度，这也为理解内核的其他问题提供了线索。在“液态”轻元素扩散与对流的情况下，非均质结构、地震波的衰减、过去数十年内核的结构变化都能通过最新的超离子态模型得到合理的解释。我们有理由期待，在地球最深处，还有更多谜团将被逐一揭开。

参考资料：

[1] He， Y。， Sun， S。， Kim， D.Y。 et al。 Superionic iron alloys and their seismic velocities in Earth’s inner core。 Nature （2022）。 https：//doi.org/10.1038/s41586-021-04361-x

[2] Earth’s inner core： a mixture of solid Fe and liquid-like light elements。 Retrieved Feb 9th， 2022 from https：//www.eurekalert.org/news-releases/942527

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