■采访人员 高雅丽
波涛汹涌的大海、摄人心魄的岩浆、耀眼的电闪雷鸣、巨大的蘑菇林……在法国作家凡尔纳的《地心游记》中，地球内部是一个丰富多彩的奇幻世界 。不过，科学研究表明，地核并不是凡尔纳所说的空心结构，而是一个由压缩铁合金组成的固体球 。
日前，中国科学院地球化学研究所（以下简称中科院地球化学所）地球内部物质高温高压重点实验室研究员李和平、何宇与北京高压科学中心毛河光院士等在《自然》刊发论文，刷新了目前认知 。考虑地球核心的温度和压力，研究团队对多种铁合金的性质进行了计算模拟，结果表明地核并非传统认知的固态，而是由固态铁和流动的轻元素组成的超离子态 。
模拟“新世界”
地球形成已有约44亿～46亿年 。作为地球深处最神秘的地方，地核一直吸引人类对其不断探索 。
1936年，通过观测分析地震纵波穿过地核时形成的影区，科学家首次发现了地核的存在 。根据对纵波和横波数据的分析，科研人员确立了地球液态外核和固态内核的基本认知 。
但地核处于极端高温高压环境下，由于观测数据匮乏，人类对地核结构和性质的认知非常有限 。随着科学的进步，现在，科研人员可以在计算机中模拟高温高压的地核环境，获取相应的研究成果 。
论文第一作者何宇指出，以往研究表明地核的密度比纯铁要低，有科研人员推测地核中存在某些轻元素 。然而，这些轻元素在地核中的状态却很少被关注 。
何宇说：“超离子态介于固态和液态之间，被认为广泛存在于地球和行星内部 。在超离子态物质中，一部分离子如液体一般快速运动，而另一部分离子如‘骨架’一般固定在物质结构中 。地球科学中研究超离子态转变的工作不多，基于多年经验，毛河光院士提出了一个‘大胆’的想法——地核可能存在超离子态 。”
为验证这个想法，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 。
轻元素在地核“对流”
在研究人员构建的这个模拟世界中，他们选取了地核中最稳定的六方相铁—氢、铁—碳和铁—氧合金作为计算模型，在地核温压下，这些合金转变成了超离子态 。
但在这一过程中，研究团队发现，计算模型在熔点之上仍然保持固态，存在过热态现象 。过热态下的计算结果将与实际情况不符，从而导致错误的结论 。
【地核|刷新认知！地核可能是超离子态】为解决这个问题，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 。
他们还观察到，在超离子态合金中，碳、氢、氧离子在铁“骨架”结构的间隙中快速扩散，表现出流体的特征 。
“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 。”何宇表示 。
此外，团队还利用第一性原理分子动力学方法，对超离子态合金的弹性性质和地震波速进行了模拟计算 。
“地核软化之谜一直存在，地震学观察到，通过地核时，地震横波波速会显著降低 。我们的模拟结果表明，流动的轻元素杂质可以引起铁合金的软化，引起地震波速显著降低，数值恰好与地震学的观测结果相符合 。”何宇表示 。
两年审稿“长跑”终获录用
“高温高压学科的发展、超算平台的建立，让我们的研究领先一步 。比起较为顺利的研究过程，一波三折的是论文的投稿和审稿 。”何宇说 。
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