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構，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)地球內部物質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》刊發論文，刷新了目前認知。考慮地球核心的溫度和壓力，研究團隊對多種鐵合金的性質進行了計算模擬，結果表明地核并非傳統認知的固態，而是由固態鐵和流動的輕元素組成的超離子態。

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，科學家首次發現了地核的存在。根據對縱波和橫波數據的分析，科研人員確立了地球液態外核和固態內核的基本認知。

但地核處于極端高溫高壓環境下，由于觀測數據匱乏，人類對地核結構和性質的認知非常有限。隨著科學的進步，現在，科研人員可以在計算機中模擬高溫高壓的地核環境，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卻很少被關注。

何宇說：“超離子態介于固態和液態之間，被認為廣泛存在于地球和行星內部。在超離子態物質中，一部分離子如液體一般快速運動，而另一部分離子如‘骨架’一般固定在物質結構中。地球科學中研究超離子態轉變的工作不多，基于多年經驗，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。”

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”

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

但在這一過程中，研究團隊發現，計算模型在熔點之上仍然保持固態，存在過熱態現象。過熱態下的計算結果將與實際情況不符，從而導致錯誤的結論。

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—超離子態—液態轉變相圖，證實了超離子態合金在內核溫壓下的穩定性。

他們還觀察到，在超離子態合金中，碳、氫、氧離子在鐵“骨架”結構的間隙中快速擴散，表現出流體的特征。

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

此外，團隊還利用第一性原理分子動力學方法，對超離子態合金的彈性性質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。我們的模擬結果表明，流動的輕元素雜質可以引起鐵合金的軟化，引起地震波速顯著降低，數值恰好與地震學的觀測結果相符合。”何宇表示。

兩年審稿“長跑”終獲錄用

“高溫高壓學科的發展、超算平臺的建立，讓我們的研究領先一步。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，地核有超離子態是一個新的概念，需要足夠強、足夠充分的證據來證明。我們計算合金熔點的方法并不適用于超離子態體系，應該加以改進。”

經過反復討論和修改，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，向編輯部發出了郵件。在此期間，論文預印版于2020年12月在線發布于Research Square，引起了相關領域科研人員的關注。“同行的關注和反饋，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。

“超離子態內核更新了我們對地核狀態的認知，流體一般運動的輕元素為認識內核對流、各向異性結構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)

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