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(guó)作家凡爾納的《地心游記》中，地球內(nèi)部是一個(gè)豐富多彩的奇幻世界。不過(guò)，科學(xué)研究表明，地核并不是凡爾納所說(shuō)的空心結(jié)構(gòu)，而是一個(gè)由壓縮鐵合金組成的固體球。

日前，中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中科院地球化學(xué)所)地球內(nèi)部物質(zhì)高溫高壓重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員李和平、何宇與北京高壓科學(xué)中心毛河光院士等在《自然》刊發(fā)論文，刷新了目前認(rèn)知。考慮地球核心的溫度和壓力，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)多種鐵合金的性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算模擬，結(jié)果表明地核并非傳統(tǒng)認(rèn)知的固態(tài)，而是由固態(tài)鐵和流動(dòng)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(lèi)對(duì)其不斷探索。

1936年，通過(guò)觀測(cè)分析地震縱波穿過(guò)地核時(shí)形成的影區(qū)，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了地核的存在。根據(jù)對(duì)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(rèn)知。

但地核處于極端高溫高壓環(huán)境下，由于觀測(cè)數(shù)據(jù)匱乏，人類(lèi)對(duì)地核結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認(rèn)知非常有限。隨著科學(xué)的進(jìn)步，現(xiàn)在，科研人員可以在計(jì)算機(jī)中模擬高溫高壓的地核環(huán)境，獲取相應(yīng)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(cè)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(shuō)：“超離子態(tài)介于固態(tài)和液態(tài)之間，被認(rèn)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(yùn)動(dòng)，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(xué)中研究超離子態(tài)轉(zhuǎn)變的工作不多，基于多年經(jīng)驗(yàn)，毛河光院士提出了一個(gè)‘大膽’的想法——地核可能存在超離子態(tài)。”

為驗(yàn)證這個(gè)想法，2017年開(kāi)始，中科院地球化學(xué)所和北京高壓科學(xué)中心團(tuán)隊(duì)合作，構(gòu)建了一個(gè)地核的計(jì)算模擬世界。

輕元素在地核“對(duì)流”

在研究人員構(gòu)建的這個(gè)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(jì)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(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，計(jì)算模型在熔點(diǎn)之上仍然保持固態(tài)，存在過(guò)熱態(tài)現(xiàn)象。過(guò)熱態(tài)下的計(jì)算結(jié)果將與實(shí)際情況不符，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。

為解決這個(gè)問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)利用“固—液共存法”對(duì)合金的熔點(diǎn)進(jìn)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(shí)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(kuò)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(kuò)散系數(shù)與其在鐵熔體中相當(dāng)，這表明輕元素的擴(kuò)散性質(zhì)在內(nèi)外核中并沒(méi)有顯著改變，因此輕元素的‘對(duì)流’可能在內(nèi)核中廣泛存在。”何宇表示。

此外，團(tuán)隊(duì)還利用第一性原理分子動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)超離子態(tài)合金的彈性性質(zhì)和地震波速進(jìn)行了模擬計(jì)算。

“地核軟化之謎一直存在，地震學(xué)觀察到，通過(guò)地核時(shí)，地震橫波波速會(huì)顯著降低。我們的模擬結(jié)果表明，流動(dòng)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(xué)的觀測(cè)結(jié)果相符合。”何宇表示。

兩年審稿“長(zhǎng)跑”終獲錄用

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

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

經(jīng)過(guò)反復(fù)討論和修改，研究人員采用固—液共存法約束合金熔點(diǎn)，在超算平臺(tái)模擬了將近2個(gè)月時(shí)間，結(jié)合文獻(xiàn)的報(bào)道，最終推斷計(jì)算模型和實(shí)際合金熔點(diǎn)相吻合。

他們?cè)俅瓮晟普撐?，向編輯部發(fā)出了郵件。在此期間，論文預(yù)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(duì)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(rèn)為鐵—碳合金的熱力學(xué)計(jì)算沒(méi)有說(shuō)清楚。我們附上了計(jì)算過(guò)程，恰巧又有新的文獻(xiàn)佐證，最終，編輯認(rèn)可了新修改的文章內(nèi)容。”何宇說(shuō)。

7個(gè)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(kāi)心，好事多磨，團(tuán)隊(duì)將近5年的工作終于得到了認(rèn)可。”何宇感慨道。

“超離子態(tài)內(nèi)核更新了我們對(duì)地核狀態(tài)的認(rèn)知，流體一般運(yùn)動(dòng)的輕元素為認(rèn)識(shí)內(nèi)核對(duì)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(shuō)。(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