地核内核Nene核,缺点和失误成分

作者: 必德电竞  发布:2019-05-28

地球内核神秘的“第三元素”是什么?记得读书时候对地壳元素分析是这样的:地壳中各元素的含量从大到小依次为氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢。百分比分别为:氧48.06%、硅26.30%、铝7.73%、铁4.75%、钙3.45%、钠2.74%、钾2.47%、镁2.00%、氢0.76%、其他0.76%。其中硅的含量是非常惊人的。除去氧不说,因为很多氧化物,几乎大多数是硅,而存在形式是二氧化硅。而地质工作者也把硅酸岩的含量来区分岩石,基性和酸性。那么大家应该都猜到了地球内核中的第三元素是什么了,是硅。

地球最深处内核的“缺失元素”或许是硅

得益于上世纪中叶地球科学的飞跃变革,人们对地球内部结构的认识,早已从儒勒·凡尔纳时代那“地心游记”般的神秘,变成了定量而又严谨的圈层划分。在今天,甚至小学生也能张口道来,地球的结构就像个鸡蛋一般,从外到内依此由三个圈层构成:有薄薄的地壳,有厚厚的地幔,然后是深埋在最深处的地核。如果稍微再深入了解一点,能发现地球其实还可以分得更细:比如地壳可以再分为硅铝质的上地壳和硅镁质的下地壳,地幔可以再分为“二辉橄榄岩”的上地幔和“我们知之甚少”的下地幔;而地核呢,也可以再分为由液态铁组成的外核和固态铁组成的内核。这六大圈层是那样经典,以至于在当下时代,完全可以说是如假包换的科学常识了。

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日本科学家研究推测,构成地球最深处内核的“缺失元素”或许是硅,如果研究属实,则有助人类进一步了解地球构造。

然而,你懂的——经典并非是一种一成不变的东西,而常识虽然由科学所铸造,但也同样是常被科学所摧毁的对象。怨念自己没有生在相对论量子世纪那样一个天天都能看到科学刷新常识的时代?别担心,今天你就可以体验一把了。美国伊利诺伊大学和中国南京大学的一个联合科研组近日发现,我们的地核并非仅仅由外核-内核这样一个双层结构组成。在内核的尽里头,其实还埋着一个更小的核心——这个最新成果发布在《自然》子刊《自然-地球科学》(Nature Geoscience)今年2月的新一期上。从此刻开始,你就可以大胆地说“最新的科学发现表明,我们的地核其实是由三层构成的,分别是外核,内核和内内核”了。

日本科学家最新研究结果表明,神秘的地球内核缺失元素是硅,除铁和镍之外,硅占内核总质量的5%。

内核是位于地球最深处的一个半径1200公里的固体球体。由于所处位置太深,科学家只能通过研究地震波通过该区域的方式推测其构成。目前已知,地球内核重量的85%为铁、10%为镍,另有5%成分因无法确定被称为“缺失元素”。

图片 2地球的内核里,还有一个核。图片:Lachina Publishing Services

数十年以来,地球内核神秘的“第三元素”一直困扰着科学家,目前日本一支研究小组揭晓了该谜底,表示神秘的地球内核第三种元素是硅。

日本东京大学研究人员把铁镍合金与硅混合,将其置于与地球内核压力和温度同等的环境下,发现结果与地震波数据吻合,因此推断硅为地球内核的“缺失元素”。

地震波——射向地球深部的“目光”

可是,科学家是怎么发现地球最深处还有一个更小的“内内核”呢?人类显然无法直接进入地球深处去看个究竟,甚至,不光人类没法进去,在现有技术手段下想把仪器扔下去也是天方夜谭。人类至今为止打得最深的科学钻探——科拉超深钻(Kola Superdeep Borehole),也只能吸收12千米以下的钙镁铁(取回了玄武质的岩心——也就是说越过硅铝质上地壳,成功进入硅镁质下地壳了),但这个深度吧,其实,连大陆壳的一半还没穿过。至于进入地幔、地核?更是想都别想了!地幔的厚度差不多是地壳的90倍!

虽然直接观察是没门儿了,但有一种东西却可以轻易遁入地球最深处取回大量信息,然后再返回地表的观测者。这种东西就是机械波。由于它传递的不是物质本身,而是物质振动的状态,因此可以很随意地在各种物质中穿梭来回。大地的振动自然便是地震波(seismic wave)。鉴于自然地震具有不可预知性,人们只能通过在地表人工触发地震的方式来主动制造“信使”。之后呢,之后在地表布设下地震波接收装置,坐等它们从地下反射上来就行了。

地震波为什么能反映地下的结构呢?道理很简单,这就跟声音在固体中传播要比在空气中传播得更快是一个道理——物质的密度不同,机械波在其中传播的速度也不同。从最简单的地壳、地幔和地核三层划分,到稍微复杂一点的六层划分,运用的都是这么一个简单的原理。人们从返回的地震波里发现,在某几个特定深度处,波速发生了明显的不连续骤变。从浅到深,第一个明显的不连续面叫做莫霍洛维奇不连续面(莫霍面),在大陆下面平均深达35千米,而在大洋下面处则仅有5-10千米,此面代表地壳与地幔的分野;再向下,到670千米深度,又一个不连续面,这个面一般直接称呼为670千米不连续面(670 km discontinuity),是上地幔与下地幔的边界。再向下到约2880千米深处,地震波了发生一次最大的不连续——横波在此彻底消失。由于横波无法在液体里传播,横波的消失便意味着此处界面下部是一个液态圈层——根据这个被称为“古登堡面”的界面,人们划分出了地幔与地核的分野。向着地核更深处前进,到约5000千米的地方,横波又再次出现,表明物相又重新回到了固态,于是,该界面所反映的,自然也就是液态外核和固态内核的双层划分了。

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英国广播公司10日援引研究领头人、东京大学教授大谷荣治的话报道,虽然研究显示硅是构成地球内核的第三种元素,但这并非定论,地球内核也可能含有其他物质。大谷荣治此前在美国地球物理学联合会2016年秋季年会中介绍了上述研究结果。

新发现的圈层——地震波的新解释

但是吧,上面这些,都是构成你常识的陈年旧话了。在1992年到2012年这最近的二十年间,全球宽频地震台阵(Global Broadband Seismic Arrays)积累起了最新一批的丰富数据。伊利诺伊-南京大学联合科研组正是通过精细地解释这浩繁的数据体,从而发现了深埋在地球最深处的新端倪。

图片 4本研究通讯作者,伊利诺伊大学教授宋晓东。图片:L. Brian Stauffer

我们自然无法像科学家那样窥探深埋在数据之海中的每一个细节,但其中最本质的逻辑却是很直观的:波速突变,代表介质密度的突变,而密度的突变,则代表着物相的突变——是的,地球之所以具有不同圈层结构的最终原因,其实便是不同密度的物质在重力势的主导下发生行星分异,从而沿重力势排列成球状结构的结果。

物相(Phase)是对“物理状态均一性”的一种表述,它并不管到底你是不是同一种化学成分。举个例子:水、冰和水蒸气,虽然成分都是H2O,但显然这三者属于不同的相态——液态、固态和气态。其实甚至这样说都有点笼统了——再举个例子,石墨和金刚石,两者都是碳单质,甚至都是固态,但显然也属于不同的物相——为什么两种相同化学成分的固相反而不属于同一物相呢?原因很简单:它们的物理性质之间有着截然不同的差异罢了。要说这种差异的本质,其实归根结底落到了晶体结构上:狭义的固态便是晶体,而相同成分的固体相态区别,归根结底,便是所谓的同质多相——也就是不同晶体结构之间的区别了。

让我们再回到地核中。我们知道,整个地核都是由铁这种均一的成分所组成的(好吧其实混有部分镍和其他杂质啦)。传统内-外核的划分,反映的是液相和固相的分野。而科学家最新发现内核更内部的不连续反应——则是固态大前提之下的物性不连续。换句话说,和上面石墨金刚石的情况其实一样,表明在固态铁核的最深处,晶体结构看样子并非是均一不变的,在固态内核之中,还坐落着一个在晶体结构上与平常的铁截然不同的内内核。

科学家发现地核除铁和镍之外,数十年以来一直搜寻地球中心的神秘第三元素,日本科学家认为,他们研究证实地球内核“缺失元素”实际是硅。研究负责人、日本东北大学科学家EijiOhtani称,我们认为硅是一种重要元素,大约占地球内核总质量的5%,硅能够溶入铁-镍合金材料之中。我们在地核相对高压和高温条件下,测量了铁合金材料的声音传播速度。这项最新研究报告发表在2016年美国地球物理学协会秋季会议上。

科学家们认为,探明内核“缺失元素”有助了解早期地球构造,尤其氧气的分布情况。英国剑桥大学西蒙:雷德芬教授说,如果“缺失元素”为镍,那么早期地球成形时的氧气含量相对丰富;反之如果氧气都被吸入内核,那么位于地核和地壳之间的地幔就不会含有氧气。

大地之核的极简史

说了半天,地核究竟为什么会出现这种物态分层呢?这要从地球的诞生讲起。科学家们普遍相信,地球,以及其他的行星、小行星,都大致形成于同一个时期——即46亿年前太阳系刚刚从星云中诞生的太初之刻——冥古宙(Hadean Eon)。彼时,还没有围绕着太阳精密而规则地旋动着的行星,而是一圈由尘埃、碎屑、块体组成的,充满着疯狂撞击的原行星盘(protoplanetary disc)。行星的诞生,便是这些碎屑物质——星子(planetestimal)之间剧烈碰撞,不断吸积、增生的过程。每一次星子的碰撞,都是动能向内能的巨大转换。星子之间大量偶然的撞击和融合,最终形成质量大到足以自动吸引临近物质的聚集体,这边是今日行星的最早期雏形——原行星(protoplanet)了。可想而知,原行星汇聚了无数“加盟天体”所带来的可观能量,导致其内部的温度高到完全可以维持一个全球熔融的岩浆之海。岩浆主要由六大元素——氧、硅、铝、铁、钙、镁所组成。正如一杯水静置时比重大的物质会率先沉入杯底似的,在宇宙中漂浮的这么一大团液态岩浆里,重的物质自然也会聚集到“杯底”。对于太空中的球体来说,“杯底”自然便是重力势最低的部位——球心了。六种主量元素里,铁的比重最大,于是,这团岩浆球中的铁便率先沉入岩浆最深处,沿着平行于球面的重力势,形成了地球最早的结构——地核。

图片 5电脑模拟的原行星景象。图片:shutterstock.com

地核倒是形成了,可它液态外核和固态内核的分层又是怎么来的呢?这与温度-压力的综合作用有关。在五六千多米深的地方,温度高到能够轻易达到铁的融点,在这种温度条件下,足以使铁维持长期的熔融状态,可物质的熔点并不是一个常数,在不同的压力之下,熔点也有所不同。我们知道,压力越高,物质的熔沸点就越高(高压锅便是根据这原理为你煮饭的)。现在倒好,我们的那坨铁被扔进了全地球压力最大的地方——它的“肩上”承受着的是整个地球的重量!在这种压力下,铁的熔点已经高到连地球最深处的温度都不足以融化它的地步了。自然,这个压力所对应的深度,便是固态内核所位于的深度了。

而这儿科学家所发现的“内内核”呢,同样可能是压力的杰作。在固态之间,物相的转变同样与压力有着密切的关系。我们熟知,一文不值的碳只要使劲加压便能够变成十分土豪的碳。我们也知道,红柱石加点儿压力可以变成蓝晶石甚至矽线石。铁呢,不好意思,poorly understood(“了解尚不充分”,跟文献打交道的同学一定不陌生这个词组吧)——很明显的,我们现在还没有办法在地球表面的实验室里维持一个跟整个地球重力相当的重压。还好,地震波告诉了我们这一切,告诉了我们在地球的最深部有着新的未知结构的可能性。“内内核”究竟是什么?说实话人们暂时还不知道。现阶段人类对地球深部物质-结构的了解依然非常有限。

虽然人们至今依然尚不了解深埋在地球中心的铁之结晶到底是怎样一种我们前所未见的新物质,虽然人们至今尚不了解这样的铁核分异到底在地球46亿年演化史中扮演着怎样的角色,但只要我们依然在关注,依然在不断探索,我们与真相之间,便总会有一条不断汇聚的渐近线。我们毕竟是Homo sapiens,是以独特的智慧而向全宇宙发起观测与认知的物种。(编辑:老猫)

EijiOhtani和研究小组在实验中将铁镍合金与硅混合在一起,之后将它们放置在模拟地球内部的极大压力和高温条件下。他们发现实验结果与地球内部地震波数据相吻合。

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参考文献

  1. Wang et al (2015) Equatorial anisotropy in the inner part of Earth's inner core from autocorrelation of earthquake coda. Nature Geoscience 8:224-227.
  2. University of Illinois at Urbana-Champaign (2015) Earth's surprise inside: Geologists unlock mysteries of the planet's inner core. illinois.edu

然而,EijiOhtani教授在接受媒体记者采访时称,我们需要进行更多的工作证实硅的存在,同时并不排除其它元素的存在。地球最深层部分被认为是一个固体球,直径大约1200公里。

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为了验证这一结论,研究人员分析了地震波如何穿过该地区,从而揭晓地球内核的构成。之前研究表明,地球内核的主要成分是铁和镍,铁占内核总质量的85%,镍占内核总质量的10%,但当时科学家非常困惑的是,剩余的5%质量究竟是哪种物质。

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