地球內核並非普通固體,可能由神奇的超離子物質構成

作者 | 發布日期 2022 年 02 月 15 日 17:36 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


地核位於地球最中心,壓力與溫度都相當高,目前模型認為由液態外核和固態內核組成。不過最近科學家發現地球內核似乎並非普通固態鐵,而是由固體鐵亞晶粒與液態輕元素組成,也就是處於液體和固體之間的超離子態。

1988 年時,科學家就預測冰在高溫高壓下會轉變成超離子態,此時冰的電導率接近金屬,物質當中一部分離子如液體快速運動,但另一部分離子如「骨架」般固定在結構上。天王星與海王星內部可能就存在超離子冰且影響著星球的磁場,令行星科學家相當關注。

但也許,地球內部就存在這種奇異的超離子物質狀態。

我們無法鑽探到地球中心 6,371 公里處瞧瞧那裡發生什麼事,因此科學家利用天然的鑽頭──地震波來判斷地球的組成。但即使有測量結果,地球內核仍相當神祕,1930 年代時間接證據表明它是固體,幾十年後又被認為是一種結晶鐵,近年又認為內核軟硬交加,甚至可再分出一層。

▲ 地球核心組成仍有許多謎題未解。(Source:中國科學院地球化學研究所

中國科學院廣州地球化學研究所(IGCAS)李和平、何宇、孫士川研究員與北京高壓科學中心合作,在地球核心溫度壓力下對多種鐵合金性質進行模擬,發現六方相(hcp)Fe-H、Fe-C 和 Fe-O 合金在內核溫壓下轉變成超離子態,C、H、O 等輕元素離子在鐵合金間隙快速擴散,表現出流體特徵。

接著利用固-液共存法對上述合金熔點進行約束,結果獲得固態-超離子態-液態轉變相圖,證實超離子態合金於內核溫度壓力下的穩定性,也就是說輕元素對流可能在內核中廣泛存在。

這項發現表明地球內核並非傳統認知的固態,而是由固態鐵與流動的輕元素組成之超離子態;而超離子態轉變可導致鐵合金加速軟化,引起地震波速明顯降低(尤其是 S 波/剪切波波速),這也與地震學觀測結果相符。

理解像流體運動的輕元素分布與對流,可為各向異性結構的形成與地震波的衰減帶來新線索,更深入探討地球的神秘內核。新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(首圖來源:中國科學院地球化學研究所