地核

地核（Earth'core），地球内部构造的中心圈层，即地球的核心，位于古登堡界面以下直至地心，外部边界距地表约2900千米。地核半径约为3473千米，质量占地球总质量的31.5%，体积占地球的16.2%，内部温度极高。

19世纪，人们开始利用地震波研究地球内部结构。1879年，埃米尔·约翰·维舍特（Emil Wiechert）提出双层地球模型，认为地球里面一定有一层密度更高的东西，是个铁镍核。1897年，英国人理查德·迪克森·奥尔德姆（Richard Dixon Oldham）首先在地震图上识别出了P波和S波，拉开了用地震波研究地球内部结构的帷幕。20世纪，地球物理学迅速崛起，随着地震学的发展，人们逐渐认识到地球内部的结构与性质。1906年，奥尔德姆从地震记录中的地震相研究中证明地球确实是双层的，内部存在一个致密的液态地核。1914年，本诺·古登堡公布了他的计算结果，指出地幔与地核的界面位于地下2900千米深处，称“古登堡界面”（Gutenberg discontinuity），由此确立了地球的“地壳—地幔—地核”三层结构模型。1936年，丹麦地震学家英格·雷曼研究了1929年在新西兰附近发生的一场大地震引起的震波，并对所观察到的现象感到困惑，一些本应被地核偏转的P波却被地震台记录下来了。雷曼推测这些波可能已经传播到地核的一定距离，然后从某种边界反弹回来。她对这些数据的解释成为了她一篇论文的基础，在论文中，她推测地球的中心由两部分组成：一个是由固态内核组成的中心，被一个液态外核包围，两者之间有一个后来被称为“雷氏不连续面”（Lehmann discontinuity）的边界。1970年，更敏感的地震仪探测到这些波被固态内核偏转，雷曼的假设得到了证实。1993年，伯勒（Boehler）发表了进行金刚石压砧实验的结果，指出内、外核界面的温度接近5000开尔文。2000年，莱奥（Laio）采用经典分子动力学理论进行了计算，得到的结果与伯勒金刚石压砧实验结果都指示着一个较低的地核温度。2000年，贝洛诺什科（Belonoshko）等采用经典分子动力学理论计算地核温度的结果为6500开尔文，比伯勒等的结果高出1500开尔文。

地球结构认识简史

地核的形成发生在太阳系形成后3000万年内，当时的地球由一团尘埃和气体开始聚集在一起，形成了被称为“小行星”的几千米大小的行星体。这些小行星迅速结合在一起，形成直径数千千米的更大行星。地核在吸积过程中形成，撞击物中的金属通过岩浆海洋沉入地球中心，液态金属与液态硅酸盐接触后，在高压和高温下平衡，形成今天地球的核心和地幔成分。研究人员认为，地球在这个早期阶段就已经形成了一个核心。

地核的形成过程

经典成核理论（Classical nucleation theory，CNT）认为结晶过程是一些分子或原子偶然聚集在一起，碰巧以结晶形式排列，然后其他分子（原子）逐个附着，形成更大的结晶。也就是说，经典成核理论认为结晶过程直接形成稳定的结晶相。关于地球成核的经典观点是当温度降至铁合金熔点以下时，它开始在地球中心结晶，随着地核继续冷却而稳步增长。然而，该模型忽略了形成xxx个稳定晶核的能量势垒，这通常用克服势垒所需的临界过冷度来表示。

经典成核的过程

内核成核悖论（inner core nucleation paradox）是指在地球核心压力下，液态铁合金要均相成核需要的临界过冷度极大，通常需要达到降温1000开尔文以上，但这与预测的约为每十亿年降100开尔文的地核冷却速率相矛盾，这使得传统观点无法成为地球内核起源的合理解释。内核成核悖论强调非均相成核的重要性，要解决内核成核悖论必须存在某种地球内核成核的基质。这个基质需要在成核时期就存在于地球中心附近，并且足以降低成核壁垒，促使铁-镍固体沉淀。基质在成核时期就存在于地球中心附近的情况有三种可能，包括早期岩心沉淀物的成核、地幔中的成核基底与原始金属基板上的成核。

研究显示，地核主要由铁和镍组成，铁约占其重量的85%，镍约占核心的10%，但5%的核心仍不明确。在相同的压力和温度下，地核的密度比纯铁的密度小8~10%，这通常被解释为地核中存在大量的轻元素。

铁是铁族的代表，呈银白色并带有金属光泽，比重是7.9，熔点为1535℃，沸点为2735℃，能导电，有延展性、传热性，具有亲铁、亲硫和亲氧的三重性，亲铁性主要在地核中表现为铁镍互化物。铁原子核的稳定性导致了相对于其他主要元素如氧、硅、镁、钙、铝和钛而言，铁的丰度过剩。这些元素构成了地球和其他类地行星的地幔岩石中的硅酸盐矿物和氧化物矿物。在地球形成和分化过程中，过剩的铁会分离出来形成密集的金属核心。铁在内核-外核边界压力处的密度接近13g/cm，地球的内核很可能在其六方最密堆积（hpc）阶段几乎是纯铁，六方最密堆积的铁在内核条件下表现出各向异性行为，这意味着它的物理性质取决于测量的方向。

镍是一种银白色金属，密度为8.9g/cm，熔点为1455℃，沸点为2730℃，质地坚硬，具有磁性。由于金属和硅酸盐分离和平衡时的压力和温度，镍作为喜铁元素会进入以铁为主的核心合金中，即地核。在压力下，镍的性质与铁不同，镍中的电子往往比铁中的电子散射得更多。因此，镍的导热系数与地核的热导率远低于仅由铁组成的地核。又由于镍的大量存在于地核，高温地核的热量得以转化为地球磁场。

• 硫

硫是一种淡黄色晶体，性脆易碎，是热和电的不良导体，不溶于水，微溶于酒精，沸点为444.6℃。有学者提出硫有可能是地核内的轻元素组成，它可以降低地核的密度，从而改变了对地球早期历史的理解。硫和铁的混合物具有较低的熔点。然而，由于硫易挥发的性质，迄今尚未检测到地核分馏的明确硫同位素特征。因此，有学者提出别的解释，即地幔中富含硫化物（Fe-O-S）液体早期形成时，作为岩浆海洋结晶后的最终挥发性富残留物，其密度高于环境地幔，使得含硫化物应积聚在地核、地幔边界处，并可能混合到地核中。

地幔中的（Fe-O-S）液体进入地核

• 碳

碳元素是较为稳定的一种化学元素，熔点为3550℃，沸点4200℃，无定形碳的密度为1.88g/cm、石墨为2.266g/cm、金刚石为3.514g/cm。碳原子不仅仅可以形成单键、双键和叁键，而且碳原子之间还可以形成长长的直链、环形链、支链等，故几乎能与绝大多数金属和非金属原子形成无限数目的化合物。有学者认为地核可能是地球中xxx的碳储存区，但其碳丰度一直未能准确确定。学者通过激光加热金刚石压腔实验模拟了早期地球核幔分异的环境，测量了高温高压条件下碳在金属—硅酸盐两相之间的分配关系，发现在实验条件下碳与铁结合的能力，即所谓的亲铁性，比之前的估计值要低。结合多阶段地核形成模型，他们认为地核中的碳的重量百分比在0.09%到0.20%之间。尽管这一估计值不会改变地核作为地球xxx碳储库的地位，但较低的碳含量意味着碳对地核密度和组成的影响要比原先估计的更小。

不同温度压力条件下碳在金属和硅酸盐中的分配系数

• 氢

氢无色无味，几乎不溶于水，氢气的熔点为-259.2℃，沸点为-252.77℃。氢原子核外只有一个电子，与活泼金属作用而生成氢化物时，可获得一个电子，呈负一价。在高温时，氢能将许多金属氧化物的氧夺取出来，使金属还原。有学者研究发现地核含有大量氢元素，表明地球形成时吸收的大量水大部分已混入地核。通过实验模拟地幔底部条件，发现地核上方地幔的熔融温度约为3600开尔文，低于先前估计。这一发现表明地核中可能存在由含有约0.6%氢的铁合金组成的液态外核。另有学者发现下地幔主要成分之一的铁方镁石遇到水或含水矿物时，会发生化学反应，生成一种新矿物的同时并释放出氢气。还有研究表示，含水矿物可以通过交叉扩散局部氢化地幔，如果氢在地核—地幔边界的条件下是嗜铁的，那么氢可以渗透到地核。

地核中的氢

• 氧

氧无色无味，是地球上最丰富的元素之一，98%以上的岩石中含有氧元素，氧气的熔点为-218.4℃，沸点-183℃。目前尚不清楚内核中是否存在氧。然而，有学者研究发现富Fe-O合金在近300千兆帕斯卡的极端压力和超过3000开尔文的高温下是稳定的。该研究结果证明氧气可以存在于固体内核中，这为进一步了解地核的形成过程和演化历史提供了关键的制约因素。另有学者通过新模型研究发现地球的岩浆海洋最初是被氧化的，并且随着时间的推移，由于氧气掺入地球核心而变得还原。如果沉淀的金属铁聚集到地核，则会导致岩浆海中的硅酸盐熔体的三氧化二铁升高，进而提高岩浆海中的Fe/∑Fe和氧逸度。

不同Fe/∑Fe岩浆海的氧逸度随深度和压力的变化（Armstrong et al.， 2019）。垂直的红色短柱代表现今上地幔氧逸度的大致变化范围；灰色阴影区域代表金属Fe沉淀的范围

• 硅

硅是一种准金属，在物理性质上主要表现出金属性，质地坚硬而有脆性，硬度为7.0，熔点为1683开尔文，沸点为2750开尔文，硅在常温下不活泼，在高温下化学性质比较活泼，在高温下能与多种元素结合成化合物。硅是地球中最丰富的元素之一，由于其轻量级和丰度，有人认为硅可能是地核中的合金元素。然而，要将硅溶解到地核中，必须在还原条件下并添加电子。有学者研究结果表明，镍和硅对于铁芯条件下B2和六方密堆积相两相混合物的稳定性场具有影响。这种两相混合物可以用来确定初步参考地球模型的内核密度，并且在内核条件下的压缩波速度与初步参考地球模型的一致。

含有8%硅的铁合金，在高压下激光加热时，会分成深色富硅区和明亮的贫硅区

研究者们在矿井和深井中观察到温度随着深度的增加而升高，这些证据以及从地球内部喷发的熔岩都支持温度向地心方向升高。不同的观测表明，从地表到地心的温度升高速率并不均匀，有的地方比较快，有的地方比较慢。从地球表面开始时，深度每增加1米，温度平均升高32℃；在前100千米内，气温以每千米12℃的速度上升；在接下来的300千米内，每千米温度上升20℃。但随着进一步深入地球核心，这个速率降至每千米仅10℃。因此，地球内部的温度随深度而上升，在地幔与外核边界处，约为4000℃，地心处温度为5500~6000℃，这使得地核的外层呈现液态，里面主要是熔融状态的金属物质。地核附近之所以出现这样的高温关键主要由几个因素共同作用，包括自行星形成积累的热量、摩擦加热、放射性元素的衰变。

地核的压力特征一定程度上与温度相似， 由于岩石等覆盖材料所产生的巨大重量，地核的压力也从表面向中心逐渐增加。据估计，地核的压力比海平面大气压力高出近3至4万倍，最高达到361700兆帕。在高温下，下层的材料会向地球中心部分熔化，但由于压力太大，这些熔化的材料获得了固体的特性，并且可能处于塑性状态。

地核的密度非常大，虽然在体积上只占地球的16.2%，但质量却占了约32%。其中，地核外核的上限密度为9.89克/立方厘米，下限密度为12.70克/立方厘米；内核的上限密度为12.70克/立方厘米，下限密度为13.00克/立方厘米。

特定液态金属在熔化温度下的粘度和扩散率是特定金属的常数。在靠近内核边界的情况下，地球液态核心的粘度可能接近液态铁在同等环境压力下的粘度，即6厘泊。

xxx核和外地核都对地震波传播方向和速度存在明显的各向异性。内核具有高泊松比和低剪切波速。内核的泊松比为0.44，类似于橡胶和铅，而其剪切波速只有3千米/秒，比铁的剪切波速（5千米/秒）低了40%。在外核区域，地震纵波波速从地幔的13.6千米/秒降低到8.7千米/秒，而横波则没有显示；在内核区域，纵波波速增加，并且横波也开始出现，由于内核显著的各向异性，地震速度随测量方向而变化。

地球内部的地震波速度和密度 Vp 是 P 波（纵波）的速度，Vs 是 S 波（横波）的速度

目前普遍认为地球的主磁场是在地球的液态外核中通过磁流体发电机过程产生的，并且已经维持了至少有35亿年左右。地磁场整体强度及方向的快速变化与液态外核中动力学过程密切相关，但具体的相互关系和引起变化的物理机制仍不明确。

低粘度模拟中观察到的内部动力学

• 地核运动和地球磁场的生成

“发电机理论”认为大型发电机或磁场发生器存在于地球外核中，随着行星冷却，液态铁不断移动。当电子在液体中移动时，这种运动产生了一种类似于自然发电机的过程，其中对流动能被转化为电能和磁能。简而言之，电性导体铁在地球磁场的作用下运动，导致电流产生，这些电流又生成了它们自己的磁场。因为内部反馈的作用，只要地核有足够的能量源来维持对流，这个过程可以自我维持。通过这个过程，流动流体的能量被转化为可以维持数十亿年的磁场。外地核的磁性比地球表面的磁性强约50倍，地核的波动会导致地球磁场发生更剧烈的变化。例如，地磁极反转大约每200000到300000年发生一次，然而，在之前的地磁极反转中，植物或动物的生命、冰川活动或火山喷发没有发生真正的变化。

地球发电机与磁场

• 地核与地磁场的相互作用

地磁场是指地核中的一种动力过程所产生的磁场，其主要特征是一个主导的偶极子成分。在过去的几个世纪中，这个偶极子成分一直在稳定下降。导致地磁偶极场波动的具体物理驱动因素尚不明确。有一种解释是，地磁偶极模式与地磁场的其他多极项之间存在相互作用。为了验证这一假设，科学家们利用了两个基于古地磁数据的千年尺度模型，通过球谐分解方法重建了过去的地磁场。通过对数据进行因果关系和信息统计分析，他们发现地磁场的偶极子和更小尺度的谐波（四极子和八极子）之间存在显著的相互作用。两个数据集都表明球谐成分在这个过程中起到了源项的作用，而轴向偶极子成分则是信息损失最小的部分。研究结果表明，地核—地幔边界的非均匀性可能对地磁场各成分之间的相互作用起到一定的控制作用。

• 内核的生长

随着整个地球慢慢冷却，液体外核的凝固或结晶，内核会生长，每年增长约一毫米。由于铁的凝固点超过1000°C，内核的生长不均匀，以团块和束状发生，并受地幔活动的影响。由于外核泰勒柱对流作用，内核可能在赤道优先生长，从而在圆柱径向上产生更有效的热传递。均衡调整将使扁球形内核从赤道向内流动，向上流向两级。如果存在强密度分层，这种流动将被限制在最顶层，反之，则会在深层引起变形。赤道平面上内核的任何不对称排热都会导致不对称增长，导致生长内核的横向平移，从而减慢净平移。地核的结晶过程非常缓慢，地球内部不断的放射性衰变进一步减慢了它的速度，经科学估计，地核完全凝固大约需要910亿年。

内核在一边熔化，一边固结，产生内核平移

• 内核的差速旋转

地球内核自转与地球自转在速率上稍微有点差别，这就是内核的“差速旋转”。在外部力矩作用下，地球内核会相对于地幔转动，使得内核自转与地球的自转速率不一样。这个外力可能来自地球磁场与内核的耦合及地幔与内核的重力耦合。理论上，内核自转既可以比地球自转快，也可能稍慢。有学者研究发现，地球内核从19世纪70年代初起相对于地表超速旋转，到2009年左右基本与地表同步，进而出现了缓慢的反转比地表旋转速度慢，并推测出地球内核差速旋转可能存在70年左右的摆动周期。

内核的差速旋转

地球内核内部结构的主要特征表现为其地震波速度和衰减呈现各向异性，就像岩石圈一样，内核分为东半球和西半球，且各种结构（速度、衰减和各向异性）均呈现东西半球差异。地球内核的东西半球差异表现在多方面，从内核顶部到100千米深的范围内，东半球的各向同性速度比西半球快约0.8%，东半球具有较强的衰减（Q=250），而西半球则具有较弱的衰减（Q=600）；西半球的顶部各向同性层厚度约为100千米，而东半球顶部各向同性层厚度则约为400千米；在各向同性层底下，西半球具有较强的各向异性（~4%），而东半球则具有较弱的各向异性（~0.7%）。内核凝固过程和地球磁场的热和化学驱动力远比传统观念认为的横向均匀分布复杂得多，内核西半球可能不断凝固并释放潜热和轻元素，而东半球则可能不断熔化并吸收潜热和轻元素，外核对流的驱动力在东西半球可能截然不同，甚至呈现相反方向。

地球内核及其边界结构特征示意图

根据地震波传播方向和速度分析，地核可分为外核、过渡层和内核三个层次。在外核区域，地震纵波波速从地幔的13.6千米/秒降低到8.7千米/秒，而横波则没有显示；在内核区域，纵波波速增加，并且横波也开始出现，这些横波是由穿入内核的纵波转换而来，在穿出内核时再次转换成纵波，表明内核是固态的。

地核的分层结构

外核的深度范围从2900到4703千米，厚约2200千米，主要由液态铁和镍组成。外核的镍铁合金非常热，在4500~5500°C之间。外核的液态金属具有非常低的粘度，这意味着它很容易变形和延展性，它是剧烈对流的区域。外核的搅动金属产生并维持地球的磁场，核心最热的部分位于布伦不连续性，温度达到6000摄氏度，与太阳表面一样热。

过渡层的深度范围从4980到5120千米，厚度只有约140千米，物质处于由液态向固态过渡状态。过渡层的温度在3700-4300°C之间，压强从252000到328100兆帕。

内核是一个炽热、致密的固态铁球，主要成分为铁、镍、硫和硅，半径约为1220千米，温度约为5200摄氏度，压力接近360万个大气压。虽然内核的温度远高于铁的熔点，但是内核不是液态的或熔融的。由于内核的巨大压力、地球的整个其余部分及其大气层产生了巨大的压力和密度，这使铁原子无法进入液态。因此，一些地球物理学家更愿意将内核解释为固体，而不是表现为固体的等离子体。

• 内内核

地球科学家发现，内核本身有一个核心——内内核（inner inner core）。内内核与内核之间的差异类似于内核与外核之间的差异。科学家认为，大约5亿年前发生的一次剧烈地质变化导致了内内核的形成。内内核的晶体朝东西方向而不是南北方向排列。这种方向与地球的旋转轴或磁场都不对齐。此外，科学家认为内内核的铁晶体可能具有完全不同的结构（不是hcp），或者存在于不同的阶段。

• 超离子态内核

2017年开始，中科院地球化学所和北京高压科学中心团队合作，构建了一个地核的计算模拟世界，以探索地核是否存在超离子态。团队利用“固—液共存法”对合金的熔点进行了约束，获得了固态—超离子态—液态转变相图，证实了超离子态合金在内核温压下的稳定性。在实验中还观测到还观察到，在内核温度下，轻元素离子在超离子态铁合金中的扩散系数与其在铁熔体中相当，这表明轻元素的扩散性质在内外核中并没有显著改变，因此轻元素的‘对流’可能在内核中广泛存在。2021年10月22日，团队将近5年的工作成果被确认，在《自然》刊发了论文。超离子态内核将更新人类对地核状态的认知，像流体一般运动的轻元素为认识内核对流、各向异性结构的形成和地震波的衰减提供了新线索，将成为地核研究的新基石。

• 地球磁场模拟

地球磁场由液态外核中的磁流体动力学（magnetohydrodynamics，MHD）过程所产生和维持，这一机制被称为“地磁场发电机”。热浮力和组份浮力为地磁场发电机提供能量，驱动导电流体形成对流。发电机数值模拟意在通过数值计算，得到自持式发电机过程。1950年代到1990年代，发电机理论已经证实外核发电机过程的可行性和基本条件。随着MHD数值模拟技术的成熟与大规模高性能计算机的飞速发展，发电机模拟在1995年迎来了突破。Glatzmaier和Roberts的发电机模型GR95，不仅得到了三维自持发电机解，也展现了地磁场的一些基本形态特征和物理过程。其后的时间中，陆续有新的发电机模型被建立，大多数模型可以近似吻合地磁场的空间谱、长期变化以及地磁场倒转等现象。近年来，科学家已经能够逐渐运用发电机数值模拟结果解释地球、行星和恒星磁场的一些特殊性质与机制。

轴对称磁场形态图

• 地核的热结构和热输运性质

2020年，四川大学原子与分子物理研究所的地球物理研究室张友君团队与国内外相关单位和研究人员合作，利用激光加热金刚石压腔和二级轻气炮等高压实验技术和xxx性原理理论在实验室模拟地核的极端条件，并在此条件下进一步研究了铁的电热输运以及熔化温度等物理性质。实验结果确定了铁在地球内外核边界的熔化温度约为6000开尔文，解决了关于铁高压熔化温度的长期争议；结合早期对铁镍轻元素合金的研究，可以推断地球内外核边界温度约为5500开尔文，并推导出地核的绝热温度线；确定了铁在核幔边界的电阻率约为80µΩ/cm，热导率约为100W/m/K。这些数据进一步确定了地核中的热流量和地球磁场的能量来源，指出地球磁场产生是外核的热对流和成分对流的共同作用。团队根据热传导模型和熔化线斜率，进一步推断地球内核的形成时间和演化，发现地球内核的年龄不超过13亿年。

地核到地幔的热流量

铁和铁合金在高压下的熔化温度以及据此提出的地核绝热温度线（蓝色虚线）