地球科學：深部的鑄造廠＊

Bruce Buffett

地核中鐵合金的熔化和固化也許能解釋固態(tài)內(nèi)核的構造復雜性，且改變我們對深部動力學的認識（見快報P361）。

教科書將地球描述為洋蔥式的層狀結構，中心有個固態(tài)的鐵球。中心的部分稱為內(nèi)核，被認為是由外圍的液態(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)，認為內(nèi)核表面有很大一部分正在熔化。我們對地核結構及其動力學的認識也隨之改變。

作者的結論基于模擬液核中對流和磁場生成的數(shù)值模型[3]。液核的冷卻驅(qū)動對流，但控制冷卻速率的卻是其周圍更為巨大的、運動緩慢的地幔。在地核頂部熱流的空間變化對液體流動的模式有顯著影響[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。

流體內(nèi)部的溫度會高于邊界溫度，因為地核是由上冷卻而非由下加熱的。如果流體包不以平均速率冷卻，那么相對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，這個過程很集中，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，預計會使固體中的鐵富集[5]。因此，熔融應能產(chǎn)生集中于內(nèi)核頂部、密實的流體。格賓斯（Gubbins）等[2]認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)核的增長所掩蓋，從而可能解釋探測到的內(nèi)核中的復雜結構[7]?？傮w而言，內(nèi)核的熔融為一些觀測提供了一種合理的解釋，盡管有些細節(jié)還需要探究。

作者仔細考慮了在將其模型應用于地球中出現(xiàn)的幾個問題。另外有兩點值得提及，一是考慮到物理參數(shù)遠離實際，對數(shù)值模型有效性的長久關切。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內(nèi)核邊界很久之前將其消散？隨著數(shù)值模型的改進，我們可以期待對其可靠性有更好的洞察。第二個問題涉及熔融溫度中成分的作用。液態(tài)核中的雜質(zhì)使液相線溫度相對純鐵降低600 K或更多[8]。估計富鐵的熔融層在具有外核主體成分的液體前固結。那么，內(nèi)核熔融之后會怎么樣呢？

我們認為內(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促進熔融。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）?？紤]到熔融點降低的程度，少量的熔融應足以彌補液態(tài)外核中的熱量波動。熔融層體積上的微小變化在地震觀測中能被檢測得到么？這個問題要求對相圖有更好的認識。

格賓斯（Gubbins）等認為[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：藍色點線）和熔融溫度（液相線：紅色點線）的交叉線界定。地溫線升高（藍色實線）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（紅色實線）直至與更高的地溫線相交，重新建立熱動力學平衡。密實的熔融體位于內(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。關于內(nèi)核的穩(wěn)定平動的最近推斷說明奇異之事是可能的。這個故事的最后章節(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

[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