2年審稿，《自然》刊文指出地球內核是超離子態

　　 波濤洶涌的大海，耀眼的電閃雷鳴，攝人心魄的巖漿崩裂，巨大的蘑菇林……在法國作家凡爾納筆下的《地心游記》中，地球內部是一個豐富多彩的奇幻世界。

　　事實上，科學研究表明，地球內核并不是凡爾納所說的空心結構，而是一個由壓縮鐵合金組成的固體球。2月10日，中國科學院地球化學研究所地球內部物質高溫高壓重點實驗室研究員李和平、何宇與北京高壓科學中心毛和光院士等團隊在《自然》刊發的論文再次刷新了目前認知。

　　在地球核心的溫度和壓力下，研究團隊對多種鐵合金的性質進行了計算模擬，結果表明地球內核并非傳統認知的固態，而是由固態鐵和流動的輕元素組成的超離子態。

地球內核位于地球最深處的神秘區域（中科院地化所供圖）

　　模擬“新世界”

　　地球自形成以來，距今已有大概44～46億年。作為地球深處最神秘的地方，人類對地核的探索一直從未停止。

　　1936年，通過觀測分析地震縱波穿過地核時形成的影區，科學家首次發現了地球內核的存在。根據縱波和橫波數據的分析，確立了地球液態外核和固態內核的基本認知。

　　但地核處于極端高溫高壓環境下，由于觀測數據的匱乏，人類對地核結構和性質的認知非常有限。隨著科學的進步，現在科研人員可以在計算機中模擬高溫高壓的地球內核環境，獲取相應的研究成果。

　　論文第一作者何宇指出，以往研究表明地球內核的密度比純鐵要低，有科研人員推測地球內核中存在某些輕元素。然而，這些輕元素在地球內核中的存在狀態卻很少被關注到。

　　何宇說：“超離子態介于固態和液態之間，被認為廣泛存在于地球和行星內部。在超離子態物質中，一部分離子如液體一般快速運動，而另一部分離子如‘骨架’一般固定在物質結構中。地球科學中研究超離子態轉變的工作不多，基于多年的經驗，毛和光院士提出了一個大膽的想法，他認為地球內核可能會存在超離子態。”

　　為了驗證這個想法，2017年開始，中科院地球化學所和北京高壓科學中心團隊合作，構建了一個地球內核的計算模擬世界。

　　輕元素在地球內核“對流”

　　在研究人員構建的這個模擬世界中，他們選取了地球內核中最穩定的六方相（hcp）鐵-氫、鐵-碳和鐵-氧合金作為計算模型，在地核溫壓下，這些合金轉變成了超離子態。

　　但在整個過程中，研究團隊發現，計算模型在熔點之上仍然保持固態，存在過熱態現象。在過熱態下的計算結果將與實際情況不符，從而導致錯誤的結論。為了解決這個問題，團隊利用“固－液共存法”對合金的熔點進行了約束，獲得了固態-超離子態-液態轉變相圖，證實了超離子態合金在內核溫壓下的穩定性。

　　他們還觀察到，在超離子態合金中，碳、氫、氧離子在鐵“骨架”結構的間隙中快速擴散，表現出流體的特征。

　　“在內核溫度下，輕元素離子在超離子態鐵合金中的擴散系數與其在鐵熔體中相當，這表明輕元素的擴散性質在內外核并沒有顯著改變，因此輕元素的對流可能在內核中廣泛存在。”何宇表示。

　　此外，團隊還利用第一性原理分子動力學方法，對超離子態合金的彈性性質和地震波速進行了模擬計算。

　　“地球內核軟化之謎一直存在，地震學觀察到，地震橫波波速通過地球內核時會顯著降低。我們的模擬結果表明，流動的輕元素雜質可以引起鐵合金的軟化，引起地震波速顯著降低，數值能夠與地震學的觀測結果恰好符合。”何宇表示。

　　2年審稿“長跑”終獲錄用

　　“高溫高壓學科的發展、超算平臺的建立，讓我們的研究能夠領先一步。比起較為順當的研究過程，更加一波三折的是論文的投稿和審稿經歷。”何宇說。

　　2020年7月6日凌晨2點40，經歷了長達幾個月的審稿后，何宇收到了編輯的第一次拒稿意見。

　　“我早上起來看到了郵件，內心有些沮喪。但編輯并沒有‘一桿子打死’。審稿人認為地球內核有超離子態是一個新的概念，需要足夠強、足夠充分的證據來證明。我們計算合金熔點的方法并不適用于超離子態體系，應該加以改進。”何宇說。

　　經過反復的討論和修改，他們采用固-液共存法約束合金熔點，在超算平臺模擬了將近2個月時間，結合文獻的報道，最終推斷計算模型和實際合金熔點相吻合。

　　他們再次完善論文，向編輯部發出了郵件。在此期間，論文預印版于2020年12月在線發布于Research Square，引起了相關研究領域的關注，“同行的關注和反饋，也讓我們對自己的工作更有信心”。

　　壞消息在2021年2月25日傳來，何宇收到了第二次拒稿郵件。“審稿人認為鐵-碳合金的熱力學計算沒有說清楚，我們附上了計算過程，恰巧又有新的文獻佐證，最終編輯同意了新修改的文章內容。”何宇說。

　　7個月的等待之后，2021年10月22日，他們收到了文章確定接收的郵件，“那一刻真的很開心，好事多磨，團隊將近5年的工作終于得到了認可。”

　　在審稿意見中，一位審稿人認為“本工作非常有趣和重要，并親自重復驗證了計算結果”；而另一個審稿人指出，“這里的計算方法為后人的計算研究建立了新的標準，如果要模擬固態相，必須要排除過熱態的影響”。

　　“超離子態內核更新了我們對地球內核狀態的認知，流體一般運動的輕元素為認識內核對流，各向異性結構的形成和地震波的衰減提供了新的線索，將成為地球內核研究的新基石。”何宇表示。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04361-x