地核的熱輸運性質(zhì)與地核對流的驅(qū)動機制

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關(guān)鍵因素是其具有已存在約35 億年的全球性磁場（Tarduno et al., 2010），它保護著地球上的有機生命體免受太陽和宇宙的有害射線。地磁場是由地心液態(tài)金屬核的帶電對流產(chǎn)生（Buffett, 2000），需要持續(xù)的能量予以驅(qū)動和維持. 一般認為，成分對流（chemical/compositional convection）和熱對流（thermal convection）是驅(qū)動地核對流的兩種主要方式. 然而，在地核的長期演化中，地核對流的驅(qū)動機制和演化過程卻不明確（Dobson, 2016）. Zhang 等（2020,2021, 2022）通過激光加熱金剛石壓腔技術(shù)在實驗室制造地核的極端溫壓環(huán)境，同時利用改進型范德堡四電級法測量了地核組分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、熱分層以及地核對流的驅(qū)動機制（圖1）.

圖 1 地核的熱流量、熱分層以及對流示意圖. 地核頂部的亞絕熱環(huán)境可造成地核的熱分層，該熱分層會抑制熱對流的產(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（

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）大于熔融外核頂部熱流量（

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）時，即滿足史瓦西判據(jù)（Schwarzschild’s criterion），外核在熱傳遞過程中除熱傳導(dǎo)外還會產(chǎn)生熱對流，從而驅(qū)動外核物質(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，部分輕元素會從固態(tài)鐵中析出到液態(tài)鐵，從而形成成分對流. 在地核演化過程中，其溫度、成分和結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，導(dǎo)致熱對流和成分對流的有效性和強度也會隨之變化.

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、熱輸運性質(zhì)是揭示地核對流機制以及熱演化過程中非常重要的參數(shù). 一般來說，地核的電導(dǎo)率越高越容易產(chǎn)生電流和感生磁場；相反地，熱導(dǎo)率越高卻越可能抑制熱對流的發(fā)生（Driscoll and Du, 2019）.

Zhang 等（2020, 2021）實驗發(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，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）. 動力學(xué)平均場理論計算表明Si 雜質(zhì)散射對hcp-Fe 電阻率隨溫度的響應(yīng)起到了非常重要的作用，且在超高溫下超過了電子-聲子和電子-電子散射的作用. 實驗和理論共同確定了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，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，通過對下地幔主要礦物（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

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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（

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＜

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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程中很難產(chǎn)生熱對流. 基于此，目前外核對流可能主要是由內(nèi)核結(jié)晶生長時釋放部分輕元素所產(chǎn)生的成分浮力所驅(qū)動. 同時，地核頂部的亞絕熱環(huán)境還會產(chǎn)生一個寬度可達數(shù)百千米的熱分層，并且該分層可能導(dǎo)致地震波穿過此處時發(fā)生異常變化.

Zhang 等（2022）主要從Fe-Si 組分的電、熱輸運物性來限定外核的熱狀態(tài)、熱演化以及對流機制. 一些研究認為地核中除含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，后者可占據(jù)hcp-Fe 晶格的間隙位（He et al., 2022; Huang et al., 2022）. 不同的合金機制可能會導(dǎo)致輕元素對Fe 輸運性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響，因而需要更多的實驗和理論研究明確其它輕元素對地核熱輸運的作用. 再者，通過Weideman-Franz 定律和理論計算將電阻率轉(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. 因此，直接測量Fe 合金在地核條件下的熱導(dǎo)率對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量地核組分的熱導(dǎo)率還相當(dāng)困難，并且少有的測量結(jié)果與通過電導(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進一步揭示核幔間的電、熱相互作用以及地核對流運動的機制也同等重要.