Bruce Buffett

地核中鐵合金的熔化和固化也許能解釋固態(tài)內(nèi)核的構(gòu)造復(fù)雜性，且改變我們對(duì)深部動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)（見快報(bào)P361）。

教科書將地球描述為洋蔥式的層狀結(jié)構(gòu)，中心有個(gè)固態(tài)的鐵球。中心的部分稱為內(nèi)核，被認(rèn)為是由外圍的液態(tài)外核逐步冷卻、固化形成的[1]。在本期的第361頁，格賓斯（Gubbins）和同事們[2]完全改變常規(guī)，認(rèn)為內(nèi)核表面有很大一部分正在熔化。我們對(duì)地核結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)也隨之改變。

作者的結(jié)論基于模擬液核中對(duì)流和磁場(chǎng)生成的數(shù)值模型[3]。液核的冷卻驅(qū)動(dòng)對(duì)流，但控制冷卻速率的卻是其周圍更為巨大的、運(yùn)動(dòng)緩慢的地幔。在地核頂部熱流的空間變化對(duì)液體流動(dòng)的模式有顯著影響[4]。在作者的模擬中，冷的液體聚集成狹窄的地幔柱，向下延伸到內(nèi)核邊界，促使局部固化。其他地方，寬闊的回流與持續(xù)高于內(nèi)核邊界熔融溫度的暖流有關(guān)。

流體內(nèi)部的溫度會(huì)高于邊界溫度，因?yàn)榈睾耸怯缮侠鋮s而非由下加熱的。如果流體包不以平均速率冷卻，那么相對(duì)于不斷降低的背景溫度就變得更暖。冷卻造成內(nèi)核凈增長(zhǎng)，這個(gè)過程很集中，僅在很窄的冷流體區(qū)域之下被固化，形成與較暖區(qū)域中大的熔融區(qū)的相隔層。

固化中流體雜質(zhì)的分異，預(yù)計(jì)會(huì)使固體中的鐵富集[5]。因此，熔融應(yīng)能產(chǎn)生集中于內(nèi)核頂部、密實(shí)的流體。格賓斯（Gubbins）等[2]認(rèn)為這樣的熔融層為記錄到的內(nèi)核表面附近的地震波速度奇異值提供了一種簡(jiǎn)單的解釋[6]。此外，表面顆粒尺寸及成分的非均勻性可能最終被內(nèi)核的增長(zhǎng)所掩蓋，從而可能解釋探測(cè)到的內(nèi)核中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)[7]?？傮w而言，內(nèi)核的熔融為一些觀測(cè)提供了一種合理的解釋，盡管有些細(xì)節(jié)還需要探究。

作者仔細(xì)考慮了在將其模型應(yīng)用于地球中出現(xiàn)的幾個(gè)問題。另外有兩點(diǎn)值得提及，一是考慮到物理參數(shù)遠(yuǎn)離實(shí)際，對(duì)數(shù)值模型有效性的長(zhǎng)久關(guān)切。特別是，現(xiàn)行模型廣泛缺失的小尺度的湍流能否在冷的羽狀物到達(dá)內(nèi)核邊界很久之前將其消散？隨著數(shù)值模型的改進(jìn)，我們可以期待對(duì)其可靠性有更好的洞察。第二個(gè)問題涉及熔融溫度中成分的作用。液態(tài)核中的雜質(zhì)使液相線溫度相對(duì)純鐵降低600 K或更多[8]。估計(jì)富鐵的熔融層在具有外核主體成分的液體前固結(jié)。那么，內(nèi)核熔融之后會(huì)怎么樣呢？

我們認(rèn)為內(nèi)核邊界代表了固態(tài)和液態(tài)共存的糊狀區(qū)域的頂部[9]。邊界處溫度升高開始時(shí)促進(jìn)熔融。不過，少量的熔融使周圍的液體富鐵，這使局部的液相線溫度升高，界面回到平衡（圖1）。考慮到熔融點(diǎn)降低的程度，少量的熔融應(yīng)足以彌補(bǔ)液態(tài)外核中的熱量波動(dòng)。熔融層體積上的微小變化在地震觀測(cè)中能被檢測(cè)得到么？這個(gè)問題要求對(duì)相圖有更好的認(rèn)識(shí)。

格賓斯（Gubbins）等認(rèn)為[2]液態(tài)外核的變暖造成在固態(tài)內(nèi)核邊界上的普遍熔融。在相圖上，內(nèi)核邊界的初始位置由地核溫度（地溫線：藍(lán)色點(diǎn)線）和熔融溫度（液相線：紅色點(diǎn)線）的交叉線界定。地溫線升高（藍(lán)色實(shí)線）促使富鐵的固體熔融，稀釋液體中雜質(zhì)的濃度。這使液相線溫度升高（紅色實(shí)線）直至與更高的地溫線相交，重新建立熱動(dòng)力學(xué)平衡。密實(shí)的熔融體位于內(nèi)核頂部附近有孔隙的固體內(nèi)，如插圖所示。

圖1 內(nèi)核邊界處的熔融（原圖為彩圖）

格賓斯（Gubbins）和同事的工作[2]為新的調(diào)查打開了大門。內(nèi)核的熔融和固化允許和外圍的液核有更大的作用，增大了發(fā)現(xiàn)令人驚奇的現(xiàn)象的可能性。關(guān)于內(nèi)核的穩(wěn)定平動(dòng)的最近推斷說明奇異之事是可能的。這個(gè)故事的最后章節(jié)還有待書寫。

[1]Jacobs J A.The Earth′s inner core.Nature，1953，172：297-298

[2]Gubbins D，Sreenivasan B，Mound J，et al.Melting of the Earth′s inner core.Nature，2011，473：361-363

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