波濤洶涌的大海、攝人心魄的巖漿、耀眼的電閃雷鳴、巨大的蘑菇林……在法國作家凡爾納的《地心游記》中，地球內(nèi)部是一個豐富多彩的奇幻世界。不過，科學研究表明，地核并不是凡爾納所說的空心結(jié)構(gòu)，而是一個由壓縮鐵合金組成的固體球。

日前，中國科學院地球化學研究所(以下簡稱中科院地球化學所)地球內(nèi)部物質(zhì)高溫高壓重點實驗室研究員李和平、何宇與北京高壓科學中心毛河光院士等在《自然》刊發(fā)論文，刷新了目前認知?？紤]地球核心的溫度和壓力，研究團隊對多種鐵合金的性質(zhì)進行了計算模擬，結(jié)果表明地核并非傳統(tǒng)認知的固態(tài)，而是由固態(tài)鐵和流動的輕元素組成的超離子態(tài)。

模擬“新世界”

地球形成已有約44億～46億年。作為地球深處最神秘的地方，地核一直吸引人類對其不斷探索。

1936年，通過觀測分析地震縱波穿過地核時形成的影區(qū)，科學家首次發(fā)現(xiàn)了地核的存在。根據(jù)對縱波和橫波數(shù)據(jù)的分析，科研人員確立了地球液態(tài)外核和固態(tài)內(nèi)核的基本認知。

但地核處于極端高溫高壓環(huán)境下，由于觀測數(shù)據(jù)匱乏，人類對地核結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認知非常有限。隨著科學的進步，現(xiàn)在，科研人員可以在計算機中模擬高溫高壓的地核環(huán)境，獲取相應的研究成果。

論文第一作者何宇指出，以往研究表明地核的密度比純鐵要低，有科研人員推測地核中存在某些輕元素。然而，這些輕元素在地核中的狀態(tài)卻很少被關(guān)注。

何宇說：“超離子態(tài)介于固態(tài)和液態(tài)之間，被認為廣泛存在于地球和行星內(nèi)部。在超離子態(tài)物質(zhì)中，一部分離子如液體一般快速運動，而另一部分離子如‘骨架’一般固定在物質(zhì)結(jié)構(gòu)中。地球科學中研究超離子態(tài)轉(zhuǎn)變的工作不多，基于多年經(jīng)驗，毛河光院士提出了一個‘大膽’的想法——地核可能存在超離子態(tài)。”

為驗證這個想法，2017年開始，中科院地球化學所和北京高壓科學中心團隊合作，構(gòu)建了一個地核的計算模擬世界。

輕元素在地核“對流”

在研究人員構(gòu)建的這個模擬世界中，他們選取了地核中最穩(wěn)定的六方相鐵—氫、鐵—碳和鐵—氧合金作為計算模型，在地核溫壓下，這些合金轉(zhuǎn)變成了超離子態(tài)。

但在這一過程中，研究團隊發(fā)現(xiàn)，計算模型在熔點之上仍然保持固態(tài)，存在過熱態(tài)現(xiàn)象。過熱態(tài)下的計算結(jié)果將與實際情況不符，從而導致錯誤的結(jié)論。

為解決這個問題，團隊利用“固—液共存法”對合金的熔點進行了約束，獲得了固態(tài)—超離子態(tài)—液態(tài)轉(zhuǎn)變相圖，證實了超離子態(tài)合金在內(nèi)核溫壓下的穩(wěn)定性。

他們還觀察到，在超離子態(tài)合金中，碳、氫、氧離子在鐵“骨架”結(jié)構(gòu)的間隙中快速擴散，表現(xiàn)出流體的特征。

“在內(nèi)核溫度下，輕元素離子在超離子態(tài)鐵合金中的擴散系數(shù)與其在鐵熔體中相當，這表明輕元素的擴散性質(zhì)在內(nèi)外核中并沒有顯著改變，因此輕元素的‘對流’可能在內(nèi)核中廣泛存在。”何宇表示。

此外，團隊還利用第一性原理分子動力學方法，對超離子態(tài)合金的彈性性質(zhì)和地震波速進行了模擬計算。

“地核軟化之謎一直存在，地震學觀察到，通過地核時，地震橫波波速會顯著降低。我們的模擬結(jié)果表明，流動的輕元素雜質(zhì)可以引起鐵合金的軟化，引起地震波速顯著降低，數(shù)值恰好與地震學的觀測結(jié)果相符合。”何宇表示。

兩年審稿“長跑”終獲錄用

“高溫高壓學科的發(fā)展、超算平臺的建立，讓我們的研究領(lǐng)先一步。比起較為順利的研究過程，一波三折的是論文的投稿和審稿。”何宇說。

2020年7月6日凌晨2點40分，在投稿幾個月后，何宇收到了編輯的第一次拒稿郵件。“我早上起來看到了郵件，內(nèi)心有些沮喪。但編輯并沒有‘一棍子打死’。審稿人認為，地核有超離子態(tài)是一個新的概念，需要足夠強、足夠充分的證據(jù)來證明。我們計算合金熔點的方法并不適用于超離子態(tài)體系，應該加以改進。”

經(jīng)過反復討論和修改，研究人員采用固—液共存法約束合金熔點，在超算平臺模擬了將近2個月時間，結(jié)合文獻的報道，最終推斷計算模型和實際合金熔點相吻合。

他們再次完善論文，向編輯部發(fā)出了郵件。在此期間，論文預印版于2020年12月在線發(fā)布于Research Square，引起了相關(guān)領(lǐng)域科研人員的關(guān)注。“同行的關(guān)注和反饋，也讓我們對自己的工作更有信心。”何宇表示。

然而，2021年2月25日，何宇收到了第二次拒稿郵件。“審稿人認為鐵—碳合金的熱力學計算沒有說清楚。我們附上了計算過程，恰巧又有新的文獻佐證，最終，編輯認可了新修改的文章內(nèi)容。”何宇說。

7個多月的等待之后，2021年10月22日，他們收到了文章確定接收的郵件。“那一刻真的很開心，好事多磨，團隊將近5年的工作終于得到了認可。”何宇感慨道。

“超離子態(tài)內(nèi)核更新了我們對地核狀態(tài)的認知，流體一般運動的輕元素為認識內(nèi)核對流、各向異性結(jié)構(gòu)的形成和地震波的衰減提供了新線索，將成為地核研究的新基石。”何宇說。(記者 高雅麗)

關(guān)鍵詞： 地核可能是超離子態(tài) 超離子態(tài) 地球液態(tài)外核 模擬世界