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內核的構造復雜性，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，中心有個固態的鐵球。中心的部分稱為內核，被認為是由外圍的液態外核逐步冷卻、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，認為內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值模型[3]。液核的冷卻驅動對流，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，向下延伸到內核邊界，促使局部固化。其他地方，寬闊的回流與持續高于內核邊界熔融溫度的暖流有關。

流體內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。冷卻造成內核凈增長，這個過程很集中，僅在很窄的冷流體區域之下被固化，形成與較暖區域中大的熔融區的相隔層。

固化中流體雜質的分異，預計會使固體中的鐵富集[5]。因此，熔融應能產生集中于內核頂部、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核的增長所掩蓋，從而可能解釋探測到的內核中的復雜結構[7]?？傮w而言，內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的幾個問題。另外有兩點值得提及，一是考慮到物理參數遠離實際，對數值模型有效性的長久關切。特別是，現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核邊界很久之前將其消散？隨著數值模型的改進，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。液態核中的雜質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，內核熔融之后會怎么樣呢？

我們認為內核邊界代表了固態和液態共存的糊狀區域的頂部[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]液態外核的變暖造成在固態內核邊界上的普遍熔融。在相圖上，內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核頂部附近有孔隙的固體內，如插圖所示。

圖1 內核邊界處的熔融（原圖為彩圖）

格賓斯（Gubbins）和同事的工作[2]為新的調查打開了大門。內核的熔融和固化允許和外圍的液核有更大的作用，增大了發現令人驚奇的現象的可能性。關于內核的穩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

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[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