地球科学：深部的铸造厂＊

Bruce Buffett

地核中铁合金的熔化和固化也许能解释固态内核的构造复杂性，且改变我们对深部动力学的认识（见快报P361）。

教科书将地球描述为洋葱式的层状结构，中心有个固态的铁球。中心的部分称为内核，被认为是由外围的液态外核逐步冷却、固化形成的[1]。在本期的第361页，格宾斯（Gubbins）和同事们[2]完全改变常规，认为内核表面有很大一部分正在熔化。我们对地核结构及其动力学的认识也随之改变。

作者的结论基于模拟液核中对流和磁场生成的数值模型[3]。液核的冷却驱动对流，但控制冷却速率的却是其周围更为巨大的、运动缓慢的地幔。在地核顶部热流的空间变化对液体流动的模式有显著影响[4]。在作者的模拟中，冷的液体聚集成狭窄的地幔柱，向下延伸到内核边界，促使局部固化。其他地方，宽阔的回流与持续高于内核边界熔融温度的暖流有关。

流体内部的温度会高于边界温度，因为地核是由上冷却而非由下加热的。如果流体包不以平均速率冷却，那么相对于不断降低的背景温度就变得更暖。冷却造成内核净增长，这个过程很集中，仅在很窄的冷流体区域之下被固化，形成与较暖区域中大的熔融区的相隔层。

固化中流体杂质的分异，预计会使固体中的铁富集[5]。因此，熔融应能产生集中于内核顶部、密实的流体。格宾斯（Gubbins）等[2]认为这样的熔融层为记录到的内核表面附近的地震波速度奇异值提供了一种简单的解释[6]。此外，表面颗粒尺寸及成分的非均匀性可能最终被内核的增长所掩盖，从而可能解释探测到的内核中的复杂结构[7]。总体而言，内核的熔融为一些观测提供了一种合理的解释，尽管有些细节还需要探究。

作者仔细考虑了在将其模型应用于地球中出现的几个问题。另外有两点值得提及，一是考虑到物理参数远离实际，对数值模型有效性的长久关切。特别是，现行模型广泛缺失的小尺度的湍流能否在冷的羽状物到达内核边界很久之前将其消散？随着数值模型的改进，我们可以期待对其可靠性有更好的洞察。第二个问题涉及熔融温度中成分的作用。液态核中的杂质使液相线温度相对纯铁降低600 K或更多[8]。估计富铁的熔融层在具有外核主体成分的液体前固结。那么，内核熔融之后会怎么样呢？

我们认为内核边界代表了固态和液态共存的糊状区域的顶部[9]。边界处温度升高开始时促进熔融。不过，少量的熔融使周围的液体富铁，这使局部的液相线温度升高，界面回到平衡（图1）。考虑到熔融点降低的程度，少量的熔融应足以弥补液态外核中的热量波动。熔融层体积上的微小变化在地震观测中能被检测得到么？这个问题要求对相图有更好的认识。

格宾斯（Gubbins）等认为[2]液态外核的变暖造成在固态内核边界上的普遍熔融。在相图上，内核边界的初始位置由地核温度（地温线：蓝色点线）和熔融温度（液相线：红色点线）的交叉线界定。地温线升高（蓝色实线）促使富铁的固体熔融，稀释液体中杂质的浓度。这使液相线温度升高（红色实线）直至与更高的地温线相交，重新建立热动力学平衡。密实的熔融体位于内核顶部附近有孔隙的固体内，如插图所示。

图1 内核边界处的熔融（原图为彩图）

格宾斯（Gubbins）和同事的工作[2]为新的调查打开了大门。内核的熔融和固化允许和外围的液核有更大的作用，增大了发现令人惊奇的现象的可能性。关于内核的稳定平动的最近推断说明奇异之事是可能的。这个故事的最后章节还有待书写。

[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

[3]Sreenivasan B，Jones C A.The role of inertia in the evolution of spherical dynamos.Geophys.J.Int.，2006，164：467-476

[4]Olson P，Christensen U R.The time averaged magnetic field in numerical dynamos with nonuniform boundary heat flow.Geophys.J.Int.，2002，151：809-823

[5]AlfèD，Gillan MJ，Price G D.Temperature and composition of the Earth＇s core.Contemp.Phys.，2007，48：63-80

[6]Souriau A，Poupinet G.The velocity profile at the base of the liquid core from PKP（BC＋Cdiff）data：An argument in favour of radial inhomogeneity.Geophys.Res.Lett.，1991，18：2023-2026

[7]Sun X，Song X.The inner core of the Earth：texturing of iron crystals from three-dimensional seismic anisotropy.Earth Planet.Sci.Lett.，2008，269：56-65

[8]Gillan MJ，AlfèD，Brodholt J，et al.First-principles modelling of Earth and planetary materials at high pressures and temperatures.Rep.Prog.Phys.，2006，69：2365-2441

[9]Fearn D R，Loper D E，Roberts P H.Structure of the Earth′s inner core.Nature，1981，292：232-233

[10]Monnereau M，Calvet M，Margerin L，et al.Lopsided growth of Earth′s inner core.Science，2010，328：1014-1017

[11]Alboussière T，Deguen R，Melzani M.Melting induced stratification above the Earth′s inner core due to convective translation.Nature，2010，466：744-747