地核的熱輸運(yùn)性質(zhì)與地核對(duì)流的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

張友君

四川大學(xué) 原子與分子物理研究所，成都 610065

地球之所以能成為宜居性行星的一個(gè)關(guān)鍵因素是其具有已存在約35 億年的全球性磁場(chǎng)（Tarduno et al., 2010），它保護(hù)著地球上的有機(jī)生命體免受太陽(yáng)和宇宙的有害射線。地磁場(chǎng)是由地心液態(tài)金屬核的帶電對(duì)流產(chǎn)生（Buffett, 2000），需要持續(xù)的能量予以驅(qū)動(dòng)和維持. 一般認(rèn)為，成分對(duì)流（chemical/compositional convection）和熱對(duì)流（thermal convection）是驅(qū)動(dòng)地核對(duì)流的兩種主要方式. 然而，在地核的長(zhǎng)期演化中，地核對(duì)流的驅(qū)動(dòng)機(jī)制和演化過(guò)程卻不明確（Dobson, 2016）. Zhang 等（2020,2021, 2022）通過(guò)激光加熱金剛石壓腔技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室制造地核的極端溫壓環(huán)境，同時(shí)利用改進(jìn)型范德堡四電級(jí)法測(cè)量了地核組分Fe 合金在相應(yīng)溫壓下的電阻率（電導(dǎo)率的倒數(shù)），并結(jié)合理論計(jì)算獲得了Fe 合金的熱導(dǎo)率，從而揭示了地核的熱流量、熱分層以及地核對(duì)流的驅(qū)動(dòng)機(jī)制（圖1）.

圖 1 地核的熱流量、熱分層以及對(duì)流示意圖. 地核頂部的亞絕熱環(huán)境可造成地核的熱分層，該熱分層會(huì)抑制熱對(duì)流的產(chǎn)生并影響地震波的波速Fig. 1 Schematic of the heat flux, thermal stratification, and convection in Earth's core. A subadabatic temperature gradient at the top of the outer core may inhibit its thermal convection and change the seismic wave velocity

在核幔邊界，當(dāng)?shù)蒯Ｒ粋?cè)的核幔邊界熱流量（

Q

）大于熔融外核頂部熱流量（

Q

）時(shí)，即滿足史瓦西判據(jù)（Schwarzschild’s criterion），外核在熱傳遞過(guò)程中除熱傳導(dǎo)外還會(huì)產(chǎn)生熱對(duì)流，從而驅(qū)動(dòng)外核物質(zhì)在底部和頂部間的循環(huán). 在內(nèi)外核邊界，隨著熔融外核的冷卻和固態(tài)內(nèi)核的結(jié)晶，部分輕元素會(huì)從固態(tài)鐵中析出到液態(tài)鐵，從而形成成分對(duì)流. 在地核演化過(guò)程中，其溫度、成分和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致熱對(duì)流和成分對(duì)流的有效性和強(qiáng)度也會(huì)隨之變化.

隕石學(xué)和礦物物理學(xué)相關(guān)證據(jù)表明地核主要由Fe、Ni 和一定量的輕元素組成（Hirose et al.,2021）. 特別地，F(xiàn)e-9wt.%Si 合金在地球外核溫壓下能夠較好地滿足地震波觀測(cè)的密度和聲速等特征，是地核重要的候選成分之一（Zhang et al., 2018）.因此，F(xiàn)e 合金在地核溫壓下（130～360 GPa 以及3 000～6 000 K）的電、熱輸運(yùn)性質(zhì)是揭示地核對(duì)流機(jī)制以及熱演化過(guò)程中非常重要的參數(shù). 一般來(lái)說(shuō)，地核的電導(dǎo)率越高越容易產(chǎn)生電流和感生磁場(chǎng)；相反地，熱導(dǎo)率越高卻越可能抑制熱對(duì)流的發(fā)生（Driscoll and Du, 2019）.

Zhang 等（2020, 2021）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在80～160 GPa 的地核高壓下，隨著溫度從室溫增加到近4 000 K 時(shí)，hcp-Fe 和hcp-Fe-10wt.%Ni 合金的電阻率呈近似線性增加，并且與溫度的關(guān)系可用Bloch-Grüneisen 方程較好地描述. 然而，對(duì)于hcp-Fe-9wt.%Si 而言，其電阻率幾乎不隨溫度的增加而變化，且不再遵守Bloch-Grüneisen 方程（Zhang et al., 2022）. 動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)理論計(jì)算表明Si 雜質(zhì)散射對(duì)hcp-Fe 電阻率隨溫度的響應(yīng)起到了非常重要的作用，且在超高溫下超過(guò)了電子-聲子和電子-電子散射的作用. 實(shí)驗(yàn)和理論共同確定了Fe-9wt.%Si合金在外核頂部條件下（～140 GPa 和4 000 K）的電阻率約為90 μΩ cm. 同時(shí)，利用Weideman-Franz 定律導(dǎo)出其在相應(yīng)條件下的熱導(dǎo)率約為100 W/m/K，并據(jù)此限定了外核的絕熱熱流量約為15 TW.

另一方面，通過(guò)對(duì)下地幔主要礦物（鐵方鎂石和布里奇曼石等）熱導(dǎo)率和下地幔溫度梯度的研究，核幔邊界的熱流量

Q

一般被限定為10～12 TW（Hsieh et al., 2018）. 與之相比，F(xiàn)e-Si 地核的絕熱熱流量小于核幔邊界熱流量（

Q

＜

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）. 該結(jié)果表明地核頂部區(qū)域可能處于亞絕熱條件，這導(dǎo)致在外地核的熱傳遞過(guò)程中很難產(chǎn)生熱對(duì)流. 基于此，目前外核對(duì)流可能主要是由內(nèi)核結(jié)晶生長(zhǎng)時(shí)釋放部分輕元素所產(chǎn)生的成分浮力所驅(qū)動(dòng). 同時(shí)，地核頂部的亞絕熱環(huán)境還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)寬度可達(dá)數(shù)百千米的熱分層，并且該分層可能導(dǎo)致地震波穿過(guò)此處時(shí)發(fā)生異常變化.

Zhang 等（2022）主要從Fe-Si 組分的電、熱輸運(yùn)物性來(lái)限定外核的熱狀態(tài)、熱演化以及對(duì)流機(jī)制. 一些研究認(rèn)為地核中除含Si 輕元素外，還可能含有C、S、O 和H 等輕元素（Hirose et al.,2021）. 特別地，不同于在Fe-Si 和Fe-S 等合金中輕元素替代了hcp-Fe 的晶格位，當(dāng)C 和O 等原子與Fe 形成合金時(shí)，后者可占據(jù)hcp-Fe 晶格的間隙位（He et al., 2022; Huang et al., 2022）. 不同的合金機(jī)制可能會(huì)導(dǎo)致輕元素對(duì)Fe 輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響，因而需要更多的實(shí)驗(yàn)和理論研究明確其它輕元素對(duì)地核熱輸運(yùn)的作用. 再者，通過(guò)Weideman-Franz 定律和理論計(jì)算將電阻率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)熱導(dǎo)率的方法中，主要考慮的是Fe 合金的電子熱導(dǎo)率，而忽略了部分晶格熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn). 因此，直接測(cè)量Fe 合金在地核條件下的熱導(dǎo)率對(duì)于精確限定地核熱導(dǎo)率變得相當(dāng)重要. 然而，在地核溫壓下直接測(cè)量地核組分的熱導(dǎo)率還相當(dāng)困難，并且少有的測(cè)量結(jié)果與通過(guò)電導(dǎo)率導(dǎo)出的結(jié)果依然存在不可調(diào)和的差異（Hsieh et al., 2020）. 所以，發(fā)展在極端高溫高壓下精確測(cè)量凝聚介質(zhì)熱導(dǎo)率的新技術(shù)變得尤為重要.

此外，在下地幔，特別是下地幔底部D

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層，一些研究認(rèn)為其成分存在各向異性，比如在下地幔底部除主要的鐵方鎂石和布里奇曼石礦物外，部分區(qū)域可能富集其它礦物，如CaSiO、FeOH以及富Fe 硅酸鹽等（Hou et al., 2021; Tschauner et al.,2021）. 在相應(yīng)條件下，這些局部富集礦物的熱導(dǎo)率可能與主要硅酸鹽礦物有所不同，因而會(huì)造成核幔邊界熱導(dǎo)率和熱流量的各向異性. 因此，考慮下地幔局部熱導(dǎo)率和熱流量的各向異性對(duì)進(jìn)一步揭示核幔間的電、熱相互作用以及地核對(duì)流運(yùn)動(dòng)的機(jī)制也同等重要.