学术前沿：地球的核心是不平衡的吗？我们星球内部发生的奇怪事件

2021 年 6 月 3 日

来源  加州大学-伯克利分校    7-minute read

CK编译    面对事实，这就是“未来奇迹”的原因。

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地球内部的剖面图显示了固态铁内核（红色）由于液态铁外核（橙色）的冷却而缓慢增长。地震波在北极和南极（蓝色箭头）之间穿过地球内核的速度比穿过赤道（绿色箭头）的速度要快。研究人员得出结论，地震波速度与方向（各向异性）的这种差异是由于生长晶体的优选排列 - 六边形密堆积的铁镍合金，它们本身是各向异性的 - 与地球自转轴平行。信用：丹尼尔弗罗斯特

加州大学伯克利分校地震学家的一项新研究表明，由于未知的原因，地球的固态内核的一侧比另一侧生长得更快，而且自从 50 亿多年前它开始从铁水中凝固起来，这种现象就一直存在。

印尼班达海下的较快增长并没有让核心不平衡。重力将新的生长——铁水冷却时形成的铁晶体——均匀分布，以保持球形内核，其半径每年平均增长 1 毫米。

但是，一侧的增长加快表明，在印度尼西亚的地球外核或地幔中，某些东西正在以比另一侧（巴西）更快的速度从内核带走热量。一侧较快的冷却会加速该侧的铁晶体和内核生长。

这对地球磁场及其历史具有影响，因为由内核释放热量驱动的外核对流是今天驱动发电机的动力，该发电机产生磁场，保护我们免受来自太阳的危险粒子的伤害。

芭芭拉·罗曼诺维奇说“我们对内核的年龄提出了相当宽松的界限——在 50 亿年到 15 亿年之间——这有助于讨论在固体内核存在之前磁场是如何产生的，”他是加州大学伯克利分校地球与行星科学系研究生院教授，伯克利地震实验室 (BSL) 名誉主任。“我们知道磁场在 30 亿年前就已经存在，所以当时肯定有其他过程驱动了外核中的对流。”

内核的年轻年龄可能意味着，在地球历史的早期，使流体核心沸腾的热量来自与铁分离的轻元素，而不是我们今天知道到的铁晶体。

“关于内核年龄的争论已经持续了很长时间，”BSL 的助理项目科学家丹尼尔·弗罗斯特 说。“复杂的是：如果内核只能存在 15 亿年，根据我们对它散热方式和它有多热的了解，那么更古老的磁场是从哪里来的？这就是这个溶解完轻元素然后凝固的想法的来源。”

冷冻铁Freezing iron（这词难译）

内核的不对称生长解释了一个长达三年之久的谜团——内核中的结晶铁似乎优先沿着地球的自转轴排列，在西方比在东方更是如此，而人们则预计晶体随机取向。

这种对齐的证据来自对地震波通过内核的传播时间的测量。地震波在南北旋转轴方向上的传播速度比沿赤道方向传播得更快，地质学家将这种不对称性归因于铁晶体（不对称），它们的长轴优先沿地球轴排列。

如果核心是固体结晶铁，铁晶体又如何优先向一个方向定向？

加州大学伯克利分校地震学家的一个新模型提出，地球内核在其东侧（左）比在西侧生长得更快。重力通过将铁晶体推向北极和南极（箭头）来平衡不对称生长。这往往会使铁晶体的长轴沿着行星的自转轴（虚线）对齐，这解释了地震波穿过内核的不同传播时间。图片来源：Marine Lasbleis

为了解释这些观察结果，法国南特大学的弗罗斯特  及其同事 Marine Lasbleis 以及加州大学伯克利分校的 Brian Chandler 和 Romanowicz 创建了一个内核晶体生长的计算机模型，该模型结合了地球动力学生长模型和在高压和高温下铁的矿物物理学。

“最简单的模型似乎有点不寻常——内核是不对称的，”弗罗斯特说。“从西侧一直到中心，西侧看起来都与东侧不同，而不仅仅是在内核的顶部，正如一些人所建议的那样。我们可以解释的唯一方法是一侧比另一侧生长得更快。”

该模型描述了不对称生长（东比西高约 60%）如何使铁晶体优先沿旋转轴定向，西部比东部更对齐，并解释了穿过内核的地震波速度的差异。

“我们在本文中提出的是内核中不平衡的固体对流模型，它可以协调地震观测和合理的地球动力学边界条件，” 罗曼诺维奇说。

弗罗斯特、罗曼诺维奇 和他们的同事将在本周的《自然地球科学》杂志上报告他们的发现。

用地震波探测地球内部

地球的内部像洋葱一样分层。坚固的铁镍内核——今天的半径为 1,200 公里（745 英里），或大约是月球大小的四分之三——被一个约 2,400 公里（1,500 英里）厚的液态铁和镍外核包围。外核被厚达 2,900 公里（1,800 英里）的热岩地幔包围，并在地表覆盖着薄而冷的岩石地壳。（纤薄的地壳上人们盖起高楼大厦。做着各种房地产投资，乐此不疲。）

对流发生在外核中，当结晶铁产生的热量从内核中释放出来时，外核会慢慢沸腾，而在地幔中，当较热的岩石向上移动以将这些热量从行星中心带到地表时，对流会发生。液态铁外核的剧烈沸腾运动产生了地球磁场。

根据弗罗斯特在 拉斯布利斯 的帮助下创建的计算机模型，随着铁晶体的生长，重力会将内核中东部的过度生长重新分配到西部。晶体在内核相当软的固体中的运动——在这些高压下接近铁的熔点——使晶格沿地球的旋转轴排列，在西边的程度比在东边更大。

该模型正确地预测了研究人员对通过内核的地震波传播时间的新观察：各向异性，或平行和垂直于旋转轴的传播时间差异，随着深度增加，最强的各向异性是从地球自转轴向西偏移约 400 公里（250 英里）。

弗罗斯特说，内核增长模型还限制了地心镍与铁的比例。他的模型不能准确地再现地震观测结果，除非镍占内核的 4% 到 8%——这接近金属陨石中的比例，金属陨石曾经可能是我们太阳系中矮行星的核心。该模型还告诉地质学家内核的粘性或流动性。

“我们认为内核的粘度相对较大，这是地球动力学家研究外核发电机过程的重要输入参数，”罗曼诺维奇说。

探索

再现地核条件表明地球外核的密度低于铁水

更多信息：Daniel A. Frost 等人，受地震各向异性约束的内核动态历史，自然地球科学（2021 年）。期刊信息：Nature Geoscience

由 加州大学伯克利分校提供