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地核（Earth'core），地球內(nèi)部構(gòu)造的中心圈層，即地球的核心，位于古登堡界面以下直至地心，外部邊界距地表約2900千米。地核半徑約為3470千米，高密度，地核物質(zhì)的平均密度大約為每立方厘米10.7克，質(zhì)量占地球總質(zhì)量的31.5%，體積占地球的16.2%，內(nèi)部溫度極高。

1879年，埃米爾·約翰·維舍特（Emil Wiechert）提出雙層地球模型，認為地球里面一定有一層密度更高的東西，是個鐵鎳[niè]核。19世紀，人們開始利用地震波研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)；1914年，本諾·古登堡（Beno Gutenberg）結(jié)合地震波地下傳播速度的變化指出地幔與地核的界面位于地下2900千米深處，正式確立了地球的“地殼—地幔—地核”三層結(jié)構(gòu)模型。1936年，英格·雷曼（Inge Lehmann）進一步提出地核具有雙層結(jié)構(gòu)，即分為內(nèi)核、外核。根據(jù)物質(zhì)狀態(tài)差異，地核可分為外地核、過渡層和內(nèi)地核三個層次，其中，外地核的厚度為1742千米，平均密度約10.5克/立方厘米，物質(zhì)呈液態(tài)。過渡層的深度范圍為4980至5120千米，厚度只有100多千米，物質(zhì)處于由液態(tài)向固態(tài)過渡狀態(tài)。內(nèi)地核厚度1216千米，平均密度增至12.9克/立方厘米，主要成分是以鐵、鎳為主的重金屬，因此又稱為“鐵鎳核”。

地核就像是地球的引擎，通過熱傳導和對流為地幔和地殼運動源源不斷地提供能量，是地球產(chǎn)生適宜生物居住的基本條件之一。地核在內(nèi)外核邊界的結(jié)晶和生長、液態(tài)外地核的帶電流動和內(nèi)外核邊界結(jié)晶釋放的潛熱是產(chǎn)生地球磁場的關(guān)鍵因素，并引發(fā)了內(nèi)核成核悖論、內(nèi)核旋轉(zhuǎn)假說等相關(guān)學說。

研究歷程

19世紀，人們開始利用地震波研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。1879年，埃米爾·約翰·維舍特（Emil Wiechert）提出雙層地球模型，認為地球里面一定有一層密度更高的東西，是個鐵鎳核。1897年，英國人理查德·迪克森·奧爾德姆（Richard Dixon Oldham）首先在地震圖上識別出了P波和S波，拉開了用地震波研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的帷幕。

20世紀，地球物理學迅速崛起，隨著地震學的發(fā)展，人們逐漸認識到地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。1906年，奧爾德姆從地震記錄中的地震相研究中證明地球確實是雙層的，內(nèi)部存在一個致密的液態(tài)地核。1914年，本諾·古登堡公布了他的計算結(jié)果，指出地幔與地核的界面位于地下2900千米深處，稱“古登堡界面”（Gutenberg discontinuity），由此確立了地球的“地殼—地幔—地核”三層結(jié)構(gòu)模型。

1936年，丹麥地震學家英格·雷曼研究了1929年在新西蘭附近發(fā)生的一場大地震引起的震波，并對所觀察到的現(xiàn)象感到困惑，一些本應被地核偏轉(zhuǎn)的P波卻被地震臺記錄下來了。雷曼推測這些波可能已經(jīng)傳播到地核的一定距離，然后從某種邊界反彈回來。她對這些數(shù)據(jù)的解釋成為了她一篇論文的基礎，在論文中，她推測地球的中心由兩部分組成：一個是由固態(tài)內(nèi)核組成的中心，被一個液態(tài)外核包圍，兩者之間有一個后來被稱為“雷氏不連續(xù)面”（Lehmann discontinuity）的邊界。1970年，更敏感的地震儀探測到這些波被固態(tài)內(nèi)核偏轉(zhuǎn)，雷曼的假設得到了證實。

1993年，伯勒（Boehler）發(fā)表了進行金剛石壓砧實驗的結(jié)果，指出內(nèi)、外核界面的溫度接近5000開爾文。2000年，萊奧（Laio）采用經(jīng)典分子動力學理論進行了計算，得到的結(jié)果與伯勒金剛石壓砧實驗結(jié)果都指示著一個較低的地核溫度。2000年，貝洛諾什科（Belonoshko）等采用經(jīng)典分子動力學理論計算地核溫度的結(jié)果為6500開爾文，比伯勒等的結(jié)果高出1500開爾文。

形成

地核的形成發(fā)生在太陽系形成后3000萬年內(nèi)，當時的地球由一團塵埃和氣體開始聚集在一起，形成了被稱為“小行星”的幾千米大小的行星體。這些小行星迅速結(jié)合在一起，形成直徑數(shù)千千米的更大行星。地核在吸積過程中形成，撞擊物中的金屬通過巖漿海洋沉入地球中心，液態(tài)金屬與液態(tài)硅酸鹽接觸后，在高壓和高溫下平衡，形成今天地球的核心和地幔成分。研究人員認為，地球在這個早期階段就已經(jīng)形成了一個核心。

經(jīng)典成核理論

經(jīng)典成核理論（Classical nucleation theory，CNT）認為結(jié)晶過程是一些分子或原子偶然聚集在一起，碰巧以結(jié)晶形式排列，然后其他分子（原子）逐個附著，形成更大的結(jié)晶。也就是說，經(jīng)典成核理論認為結(jié)晶過程直接形成穩(wěn)定的結(jié)晶相。關(guān)于地球成核的經(jīng)典觀點是當溫度降至鐵合金熔點以下時，它開始在地球中心結(jié)晶，隨著地核繼續(xù)冷卻而穩(wěn)步增長。然而，該模型忽略了形成第一個穩(wěn)定晶核的能量勢壘，這通常用克服勢壘所需的臨界過冷度來表示。

內(nèi)核成核悖論

內(nèi)核成核悖論（inner core nucleation paradox）是指在地球核心壓力下，液態(tài)鐵合金要均相成核需要的臨界過冷度極大，通常需要達到降溫1000開爾文以上，但這與預測的約為每十億年降100開爾文的地核冷卻速率相矛盾，這使得傳統(tǒng)觀點無法成為地球內(nèi)核起源的合理解釋。內(nèi)核成核悖論強調(diào)非均相成核的重要性，要解決內(nèi)核成核悖論必須存在某種地球內(nèi)核成核的基質(zhì)。這個基質(zhì)需要在成核時期就存在于地球中心附近，并且足以降低成核壁壘，促使鐵-鎳固體沉淀。基質(zhì)在成核時期就存在于地球中心附近的情況有三種可能，包括早期巖心沉淀物的成核、地幔中的成核基底與原始金屬基板上的成核。

主要組成

研究顯示，地核主要由鐵和鎳組成，鐵約占其重量的85%，鎳約占核心的10%，但5%的核心仍不明確。在相同的壓力和溫度下，地核的密度比純鐵的密度小8~10%，這通常被解釋為地核中存在大量的輕元素。

鐵

鐵是鐵族的代表，呈銀白色并帶有金屬光澤，比重是7.9，熔點為1535℃，沸點為2735℃，能導電，有延展性、傳熱性，具有親鐵、親硫和親氧的三重性，親鐵性主要在地核中表現(xiàn)為鐵鎳互化物。鐵原子核的穩(wěn)定性導致了相對于其他主要元素如氧、硅、鎂、鈣、鋁和鈦而言，鐵的豐度過剩。這些元素構(gòu)成了地球和其他類地行星的地幔巖石中的硅酸鹽礦物和氧化物礦物。在地球形成和分化過程中，過剩的鐵會分離出來形成密集的金屬核心。鐵在內(nèi)核-外核邊界壓力處的密度接近13g/cm3，地球的內(nèi)核很可能在其六方最密堆積（hpc）階段幾乎是純鐵，六方最密堆積的鐵在內(nèi)核條件下表現(xiàn)出各向異性行為，這意味著它的物理性質(zhì)取決于測量的方向。

鎳

鎳是一種銀白色金屬，密度為8.9g/cm3，熔點為1455℃，沸點為2730℃，質(zhì)地堅硬，具有磁性。由于金屬和硅酸鹽分離和平衡時的壓力和溫度，鎳作為喜鐵元素會進入以鐵為主的核心合金中，即地核。在壓力下，鎳的性質(zhì)與鐵不同，鎳中的電子往往比鐵中的電子散射得更多。因此，鎳的導熱系數(shù)與地核的熱導率遠低于僅由鐵組成的地核。又由于鎳的大量存在于地核，高溫地核的熱量得以轉(zhuǎn)化為地球磁場。

輕元素組成

硫是一種淡黃色晶體，性脆易碎，是熱和電的不良導體，不溶于水，微溶于酒精，沸點為444.6℃。有學者提出硫有可能是地核內(nèi)的輕元素組成，它可以降低地核的密度，從而改變了對地球早期歷史的理解。硫和鐵的混合物具有較低的熔點。然而，由于硫易揮發(fā)的性質(zhì)，迄今尚未檢測到地核分餾的明確硫同位素特征。因此，有學者提出別的解釋，即地幔中富含硫化物（Fe-O-S）液體早期形成時，作為巖漿海洋結(jié)晶后的最終揮發(fā)性富殘留物，其密度高于環(huán)境地幔，使得含硫化物應積聚在地核、地幔邊界處，并可能混合到地核中。

碳元素是較為穩(wěn)定的一種化學元素，熔點為3550℃，沸點4200℃，無定形碳的密度為1.88g/cm3、石墨為2.266g/cm3、金剛石為3.514g/cm3。碳原子不僅僅可以形成單鍵、雙鍵和叁鍵，而且碳原子之間還可以形成長長的直鏈、環(huán)形鏈、支鏈等，故幾乎能與絕大多數(shù)金屬和非金屬原子形成無限數(shù)目的化合物。有學者認為地核可能是地球中最大的碳儲存區(qū)，但其碳豐度一直未能準確確定。學者通過激光加熱金剛石壓腔實驗模擬了早期地球核幔分異的環(huán)境，測量了高溫高壓條件下碳在金屬—硅酸鹽兩相之間的分配關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在實驗條件下碳與鐵結(jié)合的能力，即所謂的親鐵性，比之前的估計值要低。結(jié)合多階段地核形成模型，他們認為地核中的碳的重量百分比在0.09%到0.20%之間。盡管這一估計值不會改變地核作為地球最大碳儲庫的地位，但較低的碳含量意味著碳對地核密度和組成的影響要比原先估計的更小。

氫無色無味，幾乎不溶于水，氫氣的熔點為-259.2℃，沸點為-252.77℃。氫原子核外只有一個電子，與活潑金屬作用而生成氫化物時，可獲得一個電子，呈負一價。在高溫時，氫能將許多金屬氧化物的氧奪取出來，使金屬還原。有學者研究發(fā)現(xiàn)地核含有大量氫，表明地球形成時吸收的大量水大部分已混入地核。通過實驗模擬地幔底部條件，發(fā)現(xiàn)地核上方地幔的熔融溫度約為3600開爾文，低于先前估計。這一發(fā)現(xiàn)表明地核中可能存在由含有約0.6%氫的鐵合金組成的液態(tài)外核。另有學者發(fā)現(xiàn)下地幔主要成分之一的鐵方鎂石遇到水或含水礦物時，會發(fā)生化學反應，生成一種新礦物的同時并釋放出氫氣。還有研究表示，含水礦物可以通過交叉擴散局部氫化地幔，如果氫在地核—地幔邊界的條件下是嗜鐵的，那么氫可以滲透到地核。

氧無色無味，是地球上最豐富的元素之一，98%以上的巖石中含有氧，氧氣的熔點為-218.4℃，沸點183℃。目前尚不清楚內(nèi)核中是否存在氧。然而，有學者研究發(fā)現(xiàn)富Fe-O合金在近300千兆帕斯卡的極端壓力和超過3000開爾文的高溫下是穩(wěn)定的。該研究結(jié)果證明氧氣可以存在于固體內(nèi)核中，這為進一步了解地核的形成過程和演化歷史提供了關(guān)鍵的制約因素。另有學者通過新模型研究發(fā)現(xiàn)地球的巖漿海洋最初是被氧化的，并且隨著時間的推移，由于氧氣摻入地球核心而變得還原。如果沉淀的金屬鐵聚集到地核，則會導致巖漿海中的硅酸鹽熔體的氧化鐵升高，進而提高巖漿海中的Fe3+/∑Fe和氧逸度。

硅是一種準金屬，在物理性質(zhì)上主要表現(xiàn)出金屬性，質(zhì)地堅硬而有脆性，硬度為7.0，熔點為1683開爾文，沸點為2750開爾文，硅在常溫下不活潑，在高溫下化學性質(zhì)比較活潑，在高溫下能與多種元素結(jié)合成化合物。硅是地球中最豐富的元素之一，由于其輕量級和豐度，有人認為硅可能是地核中的合金元素。然而，要將硅溶解到地核中，必須在還原條件下并添加電子。有學者研究結(jié)果表明，鎳和硅對于鐵芯條件下B2和六方密堆積相兩相混合物的穩(wěn)定性場具有影響。這種兩相混合物可以用來確定初步參考地球模型的內(nèi)核密度，并且在內(nèi)核條件下的縱波速度與初步參考地球模型的一致。

主要特征

溫度

研究者們在礦井和深井中觀察到溫度隨著深度的增加而升高，這些證據(jù)以及從地球內(nèi)部噴發(fā)的熔巖都支持溫度向地心方向升高。不同的觀測表明，從地表到地心的溫度升高速率并不均勻，有的地方比較快，有的地方比較慢。從地球表面開始時，深度每增加1米，溫度平均升高32℃；在前100千米內(nèi)，氣溫以每千米12℃的速度上升；在接下來的300千米內(nèi)，每千米溫度上升20℃。但隨著進一步深入地球核心，這個速率降至每千米僅10℃。

因此，地球內(nèi)部的溫度隨深度而上升，在地幔與外核邊界處，約為4000℃，地心處溫度為5500~6000℃，這使得地核的外層呈現(xiàn)液態(tài)，里面主要是熔融狀態(tài)的金屬物質(zhì)。地核附近之所以出現(xiàn)這樣的高溫關(guān)鍵主要由幾個因素共同作用，包括自行星形成積累的熱量、地球與太陽、月球及其他行星等天體之間的潮汐摩擦加熱、放射性元素的衰變。結(jié)合其他研究的關(guān)于太平洋下面的區(qū)域的熱量損失估計，地球從地核到地幔的熱量輸出約為7.5至15萬億瓦，遠比以前的研究估計的要高。

壓力

地核的壓力特征一定程度上與溫度相似，?由于巖石等覆蓋材料所產(chǎn)生的巨大重量，地核的壓力也從表面向中心逐漸增加。據(jù)估計，地核的壓力比地平線大氣壓力高出近3至4萬倍，最高達到361700兆帕。在高溫下，下層的材料會向地球中心部分熔化，但由于壓力太大，這些熔化的材料獲得了固體的特性，并且可能處于塑性狀態(tài)。

密度

地核的密度非常大，雖然在體積上只占地球的16.2%，但質(zhì)量卻占了約32%。其中，地核外核的上限密度為9.89克/立方厘米，下限密度為12.70克/立方厘米；內(nèi)核的上限密度為12.70克/立方厘米，下限密度為13.00克/立方厘米。

粘度

特定液態(tài)金屬在熔化溫度下的粘度和擴散率是特定金屬的常數(shù)。在靠近內(nèi)核邊界的情況下，地球液態(tài)核心的粘度可能接近液態(tài)鐵在同等環(huán)境壓力下的粘度，即6厘泊。

地震波速

內(nèi)地核和外地核都對地震波傳播方向和速度存在明顯的各向異性。內(nèi)核具有高泊松比和低剪切波速。內(nèi)核的泊松比為0.44，類似于橡膠和鉛，而其剪切波速只有3千米/秒，比鐵的剪切波速（5千米/秒）低了40%。在外核區(qū)域，地震縱波波速從地幔的13.6千米/秒降低到8.7千米/秒，而橫波則沒有顯示；在內(nèi)核區(qū)域，縱波波速增加，并且橫波也開始出現(xiàn)，由于內(nèi)核顯著的各向異性，地震速度隨測量方向而變化。

磁場特征

目前普遍認為地球的主磁場是在地球的液態(tài)外核中通過磁流體發(fā)電機過程產(chǎn)生的，并且已經(jīng)維持了至少有35億年左右。地磁場整體強度及方向的快速變化與液態(tài)外核中動力學過程密切相關(guān)，但具體的相互關(guān)系和引起變化的物理機制仍不明確。

“發(fā)電機理論”認為大型發(fā)電機或磁場發(fā)生器存在于地球外核中，隨著行星冷卻，液態(tài)鐵不斷移動。當電子在液體中移動時，這種運動產(chǎn)生了一種類似于自然發(fā)電機的過程，其中對流動能被轉(zhuǎn)化為電能和磁能。簡而言之，電性導體鐵在地球磁場的作用下運動，導致電流產(chǎn)生，這些電流又生成了它們自己的磁場。因為內(nèi)部反饋的作用，只要地核有足夠的能量源來維持對流，這個過程可以自我維持。通過這個過程，流動流體的能量被轉(zhuǎn)化為可以維持數(shù)十億年的磁場。

外地核的磁性比地球表面的磁性強約50倍，地核的波動會導致地球磁場發(fā)生更劇烈的變化。例如，地磁極反轉(zhuǎn)大約每200000到300000年發(fā)生一次，然而，在之前的地磁極反轉(zhuǎn)中，植物或動物的生命、冰川活動或火山噴發(fā)沒有發(fā)生真正的變化。

地磁場是指地核中的一種動力過程所產(chǎn)生的磁場，其主要特征是一個主導的偶極子成分。在過去的幾個世紀中，這個偶極子成分一直在穩(wěn)定下降。導致地磁偶極場波動的具體物理驅(qū)動因素尚不明確。有一種解釋是，地磁偶極模式與地磁場的其他多極項之間存在相互作用。為了驗證這一假設，科學家們利用了兩個基于古地磁數(shù)據(jù)的千年尺度模型，通過球諧分解方法重建了過去的地磁場。通過對數(shù)據(jù)進行因果關(guān)系和信息統(tǒng)計分析，他們發(fā)現(xiàn)地磁場的偶極子和更小尺度的諧波（四極子和八極子）之間存在顯著的相互作用。兩個數(shù)據(jù)集都表明球諧成分在這個過程中起到了源項的作用，而軸向偶極子成分則是信息損失最小的部分。研究結(jié)果表明，地核—地幔邊界的非均勻性可能對地磁場各成分之間的相互作用起到一定的控制作用。

運動特征

隨著整個地球慢慢冷卻，液體外核的凝固或結(jié)晶，內(nèi)核會生長，每年增長約一毫米。由于鐵的凝固點超過1000°C，內(nèi)核的生長不均勻，以團塊和束狀發(fā)生，并受地幔活動的影響。

由于外核泰勒柱對流作用，內(nèi)核可能在赤道優(yōu)先生長，從而在圓柱徑向上產(chǎn)生更有效的熱傳遞。均衡調(diào)整將使扁球形內(nèi)核從赤道向內(nèi)流動，向上流向兩級。如果存在強密度分層，這種流動將被限制在最頂層，反之，則會在深層引起變形。赤道平面上內(nèi)核的任何不對稱排熱都會導致不對稱增長，導致生長內(nèi)核的橫向平移，從而減慢凈平移。

地核的結(jié)晶過程非常緩慢，地球內(nèi)部不斷的放射性衰變進一步減慢了它的速度，經(jīng)科學估計，地核完全凝固大約需要910億年。

地球內(nèi)核自轉(zhuǎn)與地球自轉(zhuǎn)在速率上稍微有點差別，這就是內(nèi)核的“差速旋轉(zhuǎn)”。在外部力矩作用下，地球內(nèi)核會相對于地幔轉(zhuǎn)動，使得內(nèi)核自轉(zhuǎn)與地球的自轉(zhuǎn)速率不一樣。這個外力可能來自地球磁場與內(nèi)核的耦合及地幔與內(nèi)核的重力耦合。

理論上，內(nèi)核自轉(zhuǎn)既可以比地球自轉(zhuǎn)快，也可能稍慢。有學者研究發(fā)現(xiàn)，地球內(nèi)核從19世紀70年代初起相對于地表超速旋轉(zhuǎn)，到2009年左右基本與地表同步，進而出現(xiàn)了緩慢的反轉(zhuǎn)比地表旋轉(zhuǎn)速度慢，并推測出地球內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)可能存在70年左右的擺動周期。

結(jié)構(gòu)特征

地球內(nèi)核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要特征表現(xiàn)為其地震波速度和衰減呈現(xiàn)各向異性，就像巖石圈一樣，內(nèi)核分為東半球和西半球，且各種結(jié)構(gòu)（速度、衰減和各向異性）均呈現(xiàn)東西半球差異。

地球內(nèi)核的東西半球差異表現(xiàn)在多方面，從內(nèi)核頂部到100千米深的范圍內(nèi)，東半球的各向同性速度比西半球快約0.8%，東半球具有較強的衰減（Q=250），而西半球則具有較弱的衰減（Q=600）；西半球的頂部各向同性層厚度約為100千米，而東半球頂部各向同性層厚度則約為400千米；在各向同性層底下，西半球具有較強的各向異性（~4%），而東半球則具有較弱的各向異性（~0.7%）。內(nèi)核凝固過程和地球磁場的熱和化學驅(qū)動力遠比傳統(tǒng)觀念認為的橫向均勻分布復雜得多，內(nèi)核西半球可能不斷凝固并釋放潛熱和輕元素，而東半球則可能不斷熔化并吸收潛熱和輕元素，外核對流的驅(qū)動力在東西半球可能截然不同，甚至呈現(xiàn)相反方向。

分層結(jié)構(gòu)

根據(jù)地震波傳播方向和速度分析，地核可分為外核、過渡層和內(nèi)核三個層次。在外核區(qū)域，地震縱波波速從地幔的13.6千米/秒降低到8.7千米/秒，而橫波則沒有顯示；在內(nèi)核區(qū)域，縱波波速增加，并且橫波也開始出現(xiàn)，這些橫波是由穿入內(nèi)核的縱波轉(zhuǎn)換而來，在穿出內(nèi)核時再次轉(zhuǎn)換成縱波，表明內(nèi)核是固態(tài)的。

外核

外核的深度范圍從2900到4703千米，厚約2200千米，主要由液態(tài)鐵和鎳組成。外核的鎳鐵合金非常熱，在4500~5500°C之間。外核的液態(tài)金屬具有非常低的粘度，這意味著它很容易變形和延展性，它是劇烈對流的區(qū)域。外核的攪動金屬產(chǎn)生并維持地球的磁場，核心最熱的部分位于布倫不連續(xù)性，溫度達到6000攝氏度，與太陽表面一樣熱。

過渡層

過渡層的深度范圍從4980到5120千米，厚度只有約140千米，物質(zhì)處于由液態(tài)向固態(tài)過渡狀態(tài)。過渡層的溫度在3700-4300°C之間，壓強從252000到328100兆帕。

內(nèi)核

內(nèi)核是一個熾熱、致密的固態(tài)鐵球，主要成分為鐵、鎳、硫和硅，半徑約為1220千米，溫度約為5200攝氏度，壓力接近360萬個大氣壓。雖然內(nèi)核的溫度遠高于鐵的熔點，但是內(nèi)核不是液態(tài)的或熔融的。由于內(nèi)核的巨大壓力、地球的整個其余部分及其大氣層產(chǎn)生了巨大的壓力和密度，這使鐵原子無法進入液態(tài)。因此，一些地球物理學更愿意將內(nèi)核解釋為固體，而不是表現(xiàn)為固體的等離子體。

地球科學家發(fā)現(xiàn)，內(nèi)核本身有一個核心——內(nèi)內(nèi)核（inner inner core）。內(nèi)內(nèi)核與內(nèi)核之間的差異類似于內(nèi)核與外核之間的差異。科學家認為，大約5億年前發(fā)生的一次劇烈地質(zhì)變化導致了內(nèi)內(nèi)核的形成。內(nèi)內(nèi)核的晶體朝東西方向而不是南北方向排列。這種方向與地球的旋轉(zhuǎn)軸或磁場都不對齊。此外，科學家認為內(nèi)內(nèi)核的鐵晶體可能具有完全不同的結(jié)構(gòu)（不是hcp），或者存在于不同的階段。

相關(guān)研究

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，以探索地核是否存在超離子態(tài)。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。在實驗中還觀測到還觀察到，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。

2021年10月22日，團隊將近5年的工作成果被確認，在《自然》刊發(fā)了論文。超離子態(tài)內(nèi)核將更新人類對地核狀態(tài)的認知，像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。

地球磁場由液態(tài)外核中的磁流體動力學（magnetohydrodynamics，MHD）過程所產(chǎn)生和維持，這一機制被稱為“地磁場發(fā)電機”。熱浮力和組份浮力為地磁場發(fā)電機提供能量，驅(qū)動導電流體形成對流。發(fā)電機數(shù)值模擬意在通過數(shù)值計算，得到自持式發(fā)電機過程。1950年代到1990年代，發(fā)電機理論已經(jīng)證實外核發(fā)電機過程的可行性和基本條件。隨著MHD數(shù)值模擬技術(shù)的成熟與大規(guī)模超級計算機的飛速發(fā)展，發(fā)電機模擬在1995年迎來了突破。Glatzmaier和Roberts的發(fā)電機模型GR95，不僅得到了三維自持發(fā)電機解，也展現(xiàn)了地磁場的一些基本形態(tài)特征和物理過程。其后的時間中，陸續(xù)有新的發(fā)電機模型被建立，大多數(shù)模型可以近似吻合地磁場的空間譜、長期變化以及地磁場倒轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。近年來，科學家已經(jīng)能夠逐漸運用發(fā)電機數(shù)值模擬結(jié)果解釋地球、行星和恒星磁場的一些特殊性質(zhì)與機制。

2020年，四川大學原子與分子物理研究所的地球物理研究室張友君團隊與國內(nèi)外相關(guān)單位和研究人員合作，利用激光加熱金剛石壓腔和二級輕氣炮等高壓實驗技術(shù)和第一性原理理論在實驗室模擬地核的極端條件，并在此條件下進一步研究了鐵的電熱輸運以及熔化溫度等物理性質(zhì)。

實驗結(jié)果確定了鐵在地球內(nèi)外核邊界的熔化溫度約為6000開爾文，解決了關(guān)于鐵高壓熔化溫度的長期爭議；結(jié)合早期對鐵鎳輕元素合金的研究，可以推斷地球內(nèi)外核邊界溫度約為5500開爾文，并推導出地核的絕熱溫度線；確定了鐵在核幔邊界的電阻率約為80μ?/cm，熱導率約為100W/m/K。這些數(shù)據(jù)進一步確定了地核中的熱流量和地球磁場的能量來源，指出地球磁場產(chǎn)生是外核的熱對流和成分對流的共同作用。團隊根據(jù)熱傳導模型和熔化線斜率，進一步推斷地球內(nèi)核的形成時間和演化，發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)核的年齡不超過13億年。

參考資料 >

..2024-05-08

第十六屆地科節(jié) | “地球科學”知識競賽第三彈(線上活動).微信公眾平臺.2025-07-10

【中科院之聲】地核的未解之謎.中國科學院.2024-04-24

Inge Lehmann: Discoverer of the Earth's Inner Core.American Vuseum of Natural History.2024-04-24

我所地球物理研究室張友君團隊在地核的熱結(jié)構(gòu)和熱輸運性質(zhì)上取得重要研究進展.四川大學原子與分子物理研究所.2024-04-24

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Core formation.harvard.2024-04-25

【前沿報道】Science Advances:晶體如何形成——關(guān)于成核途徑的理論.中國科學院.2024-04-24