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地核的未解之谜

时间:2019-07-04 17:36 来源:未知 编辑:admin

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地核的未解之谜 1 从天问到地问路漫漫,其修远兮,吾将上下而求 索,此诗句出自我国古代爱国主义诗人屈原的《离骚》 ,既 是屈原一生追求理想的写照,也是人类探索科学历程的缩...

  地核的未解之谜 1 从“天问”到“地问”“路漫漫,其修远兮,吾将上下而求 索”,此诗句出自我国古代爱国主义诗人屈原的《离骚》 ,既 是屈原一生追求理想的写照,也是人类探索科学历程的缩影。 2300 年前,屈原写下了充满强烈探索精神的《天问》 ,他问 道:“曰遂古之初,谁传道之?上下未形,何由考之?冥昭瞢 闇,谁能极之?冯翼惟像,何以识之?”其中既有对宇宙形成 演化的好奇与疑问,又有对研究方法的疑惑与思考,令人读 后拍案叫绝。好奇是人类的天性,也是科学研究的源动力, 正是人类的好奇心驱动了科学的发展。随着人类社会的不断 进步,科学逐渐被融入生产力中,对社会发展起到不可替代 的推动作用。许多关乎人类生活和生存的新学科应运而生, 地球科学就是其中之一。大家都知道,人类生活所需的煤、 石油、天然气等化石能源和各类金属、非金属矿产的形成都 是板块运动的产物,而岩石圈板块运动的驱动力就来自地核 外层。地核的活动形成了强大的地球磁场,有效地保护大气 圈免受太阳风的侵蚀,进而保护了我们人类。然而,关于地 核至今尚有许多未解之谜。如:地核的温度是多少?地核的 成分是什么?地核的性质如何?地核为什么具有复杂的各 向异性?地核的电导率和热导率是多少?诸如此类的问题 依然困惑着地球科学家们。 3 月 20 日, 中国科学院地质与地 球物理研究所朱日祥院士在 Mind Concert Academic Salon 科学沙龙主题报告中发出了这一系列“地问”。朱日祥院士长 期从事地球▷•●物理学基础理论和实验研究,在极性转换期间地 磁场形态学、地质时期地磁场古强度变化与地球深部过程的 相关性、以及沉积盆地古地磁定年等领域取得了系统的创新 性的成果。他论证了地磁极性倒转频率与地磁场强度呈负相 关性。此外,在国内主持创建了集成岩石磁学、古地磁学和 地磁场古强度研究的综合实验室,开拓了新的实验技术和方 法,把古地磁学的研究范畴拓展到认识地球内部过程。朱老 师的报告妙语连珠,以“地核中的困惑”为题,深入浅出地介 绍了关于地核研究的最新成果,引发了大家的浓厚兴趣。2 地核是怎么发现的?作为地球科学的一个分支,地球物理学 是 20 世纪迅速崛起的一门年轻学科,物理学得到非常广泛 的应用,尤其是地震学的发展,使我们逐渐认识到地球内部 的结构与性质。报告首先介绍了地核的发现过程。现在大家 都知道, 地核位于 2900km 深度之下, 地核半径约 3480km, 略大于地球半径(约 6371km)的二分之一。地核体积只有地 球的 16%。地核又分为液态的外核和固态的内核,内核的体 积不到地球的 1%,约为 0.7%。然而,200 多年前,人们对 这▲●…△些一无所知,甚至不知道地球的结构是分层的。 1797—1798 年, 英国人 Lord Henry Cavendish 用非常简单 的扭秤测量了地球密度[1],得到的数值为 5.448±0.033g/cm3, 这跟我们现在用多种方法测量出来的结 果 (5.516g/cm3)相差无几。几十年后,德国人 EmilJ.Wiechert 做了个实验[2],他在地上抓了一把碎石块, 一称,发现碎石块的密度远小于地球的总密度。后来他又在 博物馆看到密度极大的铁陨石,受到启发,于 1879 年提出 双层地球模型,他认为地球里面一定有一层密度更高的东西, 是个铁镍核。19 世纪,人们在研▲★-●究天然地震时发现,震源会 产生在地下传播的体波和沿地表传播的面波,其中体波又分 为压缩波(P 波)和剪切波(S 波)两类,P 波总是比 S 波快,而 且,S 波不能穿过液体传播。1897 年,英国人 Richard DixonOldham 首先在地震图上识别出了 P 波和 S 波[3],拉 开了用地震波研究地球内部结构的帷幕。1906 年,Oldham 从地震记录中的地震相研究中发现,地震波速度随深度增加 到一定深处后开始降低,表明地球确实是双层的,内部存在 一个致密的液态地核[3]。1909 年,南斯拉夫地震学家 A.Mohorovicic 发现,在地下 30—60km 深处存在一个地震 波速度突增界面,这个界面就是地壳与地幔的界面[4],后人 以 Mohorovicic 的名字命名,称为莫霍(Moho)面。再后来, 德国人 B.Gutenberg 于 1914 年公布了一个著名的计算结果, 指出地幔与地核的界面位于地下 2900km 深处[5]。至此,确 立了地球的“地壳—地幔—地核”三层结构模型。图 1 地球内 部结构(图中数字的单位均为 km)最初, 人们认为地核是液态 的,地震波的剪切波不能穿过,所以地球表面有一个大★-●=•▽的剪 切波影子区。由于折射关系,压缩波也有一个影子区。1936 年,丹麦女科学家 IngeLehmann 在压缩波影子区中发现了 新的震相[6],她提出,这一定是地核中另一个介质层面的反 射,从而,她提出地核具有双★△◁◁▽▼层结构,外核为液态,内核为 固态。在 Lehmann 之后,双层地核模型成了公认的模型。 液态外地核的活动会在核幔边界形成热地幔柱,从 ★◇▽▼•2900km 深处一直上升到地表,造成了一系列火山活动,驱动着板块 运动。研究表明,地球的磁场是在地球诞生之初的 3 亿年中 形成的,但磁场较弱,大概在 35 亿年前,地球有了内核, 磁场变强了, 成为了最富有生命的一个星球。 3 地核有多热? 地球内部的热状态是认识地球本体和研究关乎人类生存的 资源、能源、灾害及环境变化的基本地球物理场之一。在原 始地球分异过程中,温度起着决定性作用。甚至可以说,整 个地球的发展史就是地球的热演化史。大约在 1887 年,著 名的英国物理学家 LordKelvin 依据地球表面附近的温度梯 度推算出,地球的年龄约为 4 亿年。他还计算过,如果没有 额外的热源,再过几百万年地球就会冷下来 [7]。Kelvin 的 计算显然与实际有很大出入。根据现代的地球科学研究,地 球的年龄为 46 亿年,并且还会有 50 亿年的寿命。那么,地 核究竟有多热?朱老师针对这个问题介绍了近年来国际上 关于地核温度的研究进展。通常都假定地核是由铁组成的, 既然外地核是液体铁,内地核是固态铁,那么,内、外地核 界面处的温度就应该是那里△▪▲□△压力下铁的熔点。由于大家公认 内、外核界面的压力约为 330GPa,问题似乎变得简单了, 只要知道铁在 330GPa 压力条件下的熔点就行了。 于是科学 家们“八仙过海,各显神通”,有的进行实验室测定,或用金 刚石压砧技术进行静态实验,或用冲击波技术进行动力学实 验,有的则进行理论计算,或采用密度泛函理论计算,或采 用经典分子动力学理论计算。结果,大家给出了大相径庭的 数值。Boehler 于 1993 年在 Nature 发表了他进行金刚石压 砧实验的结果[8], 指出内、 外核界面的温度接近 5000K, Laio 在 2000 年采用经典分子动力学理论进行计算[9],得到的结 果与 Boehler 金刚石压砧工作吻合得很好,指示着一个较低 的地核温度,其成果发表在 Science 上。然而,Belonoshko 等于 2000 年采用经典分子动力学理论计算的结果为 6500K[10], 在 200—300GPa 压力下进行的冲击波实验结果 [11]与 Belonoshko 等的计算十分接近, 比 Boehler 等的结果 高出 1500K。 2013 年, Anzellini 等在 Science 发表论文[12], 他们在金刚石压砧工作中采用新的熔化判别标志,指出地核 温度高于 6000K, 支持地核温度较高的结论。 图 2 流体外核 的存在,导致地球是一个复杂的、各向异性的、充满生机的 球体朱老师指出,千万不要认为这一研究已经完成了,恰恰 相反,问题还很多。大家目前的工作都假定地核是由纯铁组 成的,上述工作所确定的只是纯铁在地核中的熔化温度,而 地核实际上并不是纯铁的,杂质的存在将会降低纯铁的熔化 温度,不同杂质对纯铁的熔化◆●△▼●温度的影响也不一样。因此, 我们要解决这个问题,还需要知道地核的确切成分。4 地核 里有什么?报告还指出,综合利用地震波和地球自由振荡等 观测数据,我们已经初步了解了地球内部速度和密度的分布 情况,并可进一步推导出地球内部不同圈层的压强、重力加 速度等参数。这些参数将有助于我们推测地核的成分。我们 今天已经知道,外地核的密度为 10—12g/cm3,内地核的密 度约为 13g/cm3。Birch 在 20 世纪 40—50 年代就发现,无 论是外地核还是内地核,密度都小于纯铁,从而 Birch 提出 地核密度缺失和地核中有轻元素的概念[13],即地核中必须 含有比铁轻的元素。自那以后,对地核成分的研究一直是地 球深部研究的热点。首先,地核中轻元素的存在会改变内外 核边界的温度,从而影响地核的热结构和内核生长历史。从 二元系相图上可以知道,轻元素的存在会降低内外核边界的 温度,也导致内核更晚结晶。其次,地核中轻元素的存在为 地核发电机提供了重要的能源。大家都知道,地球磁场已经 工作了几十亿年。驱动地磁场工作的地核发电机能量源一直 是重点研究对象, 到目前为止, 人们已经提出了 4 种驱动源。 这就是:(1)地核冷却、内核结晶和潜热释放;(2)轨道进动; (3)放射性元素;(4)轻元素释放。再有,地核中轻元素的种类 和含量还与地球形成历史密切相关,通过对地核轻元素成分 和含量的研究,可以探索地球早期形成历史。我们知道地球 早期有大撞击和岩浆洋事件,其中最后一次大撞击形成了月 球,在地球表面造成了广泛的岩浆分布。地核中氧的含量能 够指示岩浆洋的深度,因为氧只有在高压下才熔于铁,如果 地核含有大量氧,就表示当时的岩浆洋比较深,当然也表示 当时核幔分异的环境是偏氧化的。岩浆洋深度和氧化还原条 件的不同决定了大量元素在地核和地幔之间的分配,从而影 响到地核和地幔的成分,并进而影响到从地幔分异出来的地 壳的成分。那么,地核中到底有没有氧呢?很遗憾,到今天 没办法取到数千千米之下地核的样品去直接进行化学分析。 我们能够采用的确定地核成分的方法是地震学+矿物物理的 方法,就是说,只能通过矿物物理确定不同成分物质的密度 和波速, 然后与地核相应的值进行比较, 从而确定地核成分。 不过,由于可选成分太多,各种组合都有可能拟合地核值, 使得这种确定地核成分的方法遇到了很大挑战。 图 3 纯铁试 验的密度和内外核的密度与压力的关系图[14]。上面浅黄色 条带表示在不同温度下,纯铁的密度随压力的变化情况。下 面圆点表示由地球物理方法所获得的内核和外核的密度随 压力的变化情况。 Birch 在上世纪 40—50 年代发现地核密度 小于纯铁,从而提出地核密度缺失和地核轻元素概念,即地 核中必须含有比铁轻的元素 Huang 等于 2011 年在 Nature 上发表了他们的研究成果[15]。他们把地核的密度和声速与 各种成分不同的 Fe-O-S 系统进行对比,发现只有含氧少的 系统才能够与地核值匹配,由此,他们认为地核中氧含量很 少。然而,Badro 等在 2014 年利用地震学给出的核幔边界 密度和声速、内核边界密度和声速作为约束条件,采用密度 泛函理论的第一性原理计算,却发现地核中氧是不可或缺的, 而且含量可以很大[16]。这显然与实验结果有很大的矛盾。 令人困惑的是,Badro 等计算出的密度和波速与实验得到的 数值在误差范围内都有很好的一致性,但关于地核中氧含量 的结论却截然相反。看来,这可能与许多的细节处理有关, 包括所采用的假设,数据处理方法,采用的状态方程等等。 总之,地核的含氧量仍然是未解之谜。5 更多的地核之谜朱 老师在报告中指出,实际上,地核中还存在诸多未解之谜。 例如:(1)通过地震波的研究表明,内核具有高泊松比和低剪 切波速。内核的泊松比为 0.44,类似于橡胶和铅,而其剪切 波速只有 3km/s,比铁的剪切波速(5km/s)低了 40%。这是 什么原因造成的?2007 年,Belonoshko 通过经典分子动力 学研究认为,内核的低剪切波速是由晶体缺陷造成的,该成 果发表在 Science 上[17]。Martorell 等于 2013 年采用第一 性原理分子动力学方法进行研究,认为低剪切波速是由强烈 的熔化前效应造成的,其成果也发表在 Science 上[18]。 Prescher 等最近发表在 Nature Geoscience 上的实验工作认 为,碳元素的加入会形成 Fe7C3,而 Fe7C3 就具有高泊松 比,这会导致内核的高泊松比,同时也暗示地核中含有大量 的碳[19]。显然,这造成了与地球化学和宇宙化学研究结果 的新矛盾! (2)比地核具有低剪切波速和高泊松比更令人迷惑 的是, 地核具有极其复杂的各向异性和不均一性。 观测表明, 内地核和外地核都对地震波传播方向和速度存在明显的各 向异性。而且,无论是内地核还是外地核,这些各向异性全 都分成东西两个半球,西半球的各向异性比东半球明显得多。 对此, Alboussiere 等在 2010 年提出了一个天才的解释[20]。 他们认为, 内核在一边熔化, 一边固结, 因而产生内核平移, 并在表面形成均一层。他们的模型很好地解释了地震学所观 察到的多种现象。Alboussiere 等的文章在 Nature 发表后得 到了积极回应。Olson 和 Deguen 于 2012 年在 Nature Geoscience 上发表论文[21], 说我们同意你们的解释, 而且, 我们还要告诉大家为什么地磁极和地球自转轴总是不重合。 照理说作为一个对流体,二者应该重合在一起的,就是由于 内核一边融化一边固结,才造成了不重合。最近,Wang 等 刚刚在 Nature Geoscience 上发表论文[22],他们的最新结 果指出, 内核并不是均一的, 还可以再分成内内核和外内核, 内内核的各向异性与外内核完全不一样。 这可真是“一波未平, 一波▲=○▼又起”,要解释地核的这些复杂现象将是更大的挑战。图 4 Alboussiere 在 2010 年对内核的各向异性和不均一性提出 了一个天才解释[20]。他认为内核在一边熔化,一边固结, 产生内核平移,并在表面形成均一层,很好地解释了地震学 所观察到的多种现象(3)大家都知道外核流体运动产生了地 磁场,而外核温度和压力条件下铁的电导率和热导率是地核 发电机工作机制的决定性因素。那么,地核的电导率和热导 率是多少?由于现在还无法直接测量如此高温高压下的数 值,只能采用理论计算的方法。Pozzo 等于 2012 年通过密 度泛函方法计算了铁在地核条件下的热导率和电导率[23], 所给出的数值比前人的结果大很多。他们指出,地核发电机 要工作,要么核幔边界的热通量需达到 15TW,要么地核放 射热源需达到 3pWkg-1。但是,我们知道,核幔界面热流 通量是地表热流通量减去地壳放射性生热的值,只有 6TW 左右,而作为放射性热源的钾是亲石元素,在地核内应该很 少。Pozzo 等的工作给认识地核发电机的工作机制造成极大 的困惑。最近,Zhang 等采用密度泛函加动态平均场方法, 考虑了电子相互关联作用,计算了电子与电子间散射引起的 电阻率,给出了一个低的热导率[24]。该最新成果发表在 Nature 上,使得地核发电机的工作机制重回过去的认●识,即 通过外核流体对流就能工作,不需要额外的放射性热源,核 幔边界热流值也与地球物理估算值一致。朱老师在报告最后 总结说,关于地核的困惑主要集中在三个方面:(1)地核的物 质组成是什么?(2)该组成物质在地核高温高压下的晶体结 构、 各种物理性质是什么样的?(3)具有该物理性质的物质在 地球内部是如何运动的?真可谓,“上天不易,入地更难”。 我国科学家“上天”已经取得了很好的成绩, 揭开“地内”的秘密 同样是我们的梦想。但这对地球科学家真是有点难啊!物理 学在地核的探索研究中已经得到非常广泛的应用,它的每一 项进展,不管是实验技术,还是理论计•●算,都将极大地推动 我们对地核的认识。最后,他热切地期待跨界交流与合作, 希望大家能给些好建议,提高人类对地核的认知水平。6 实 践出真知 朱日祥院士的报告引发了与会专家、学者们的热烈讨论。大 家时而竞相争先诘问,时而三五成群热议,讨论内容既包括 了对地球形成演化的好奇与疑问,又包括了对科学研究方法 的疑惑与思考。探讨中涉及最多的内容是“实践出线)关于地球内部的许多认识都是来自陨石的、天文 的、地磁的资料,很多资料都是货真价实的,都是真实的数 据、第一性数据,剩下有两种东西虚无缥缈,一个是温度, 一个是压力。如果这两个基本状态参数只是靠一堆数学方程 去套、去算,尽管能在 Nature,Science 上发表一些文章, 但真理在哪儿?按照各种数学逻辑推出来的结论是数学家 认为的真理,是不是物理学家的真理呢?物理学家和材料学 家看到的真理,可能跟数学家的真理完全不是一回事。按照 实践是检验真理的标准,什么东西看着了或者测着了,这才 是真理的标准。关于等大球最紧密堆积问题,从理论上计算 堆密度应该是 74.05%,但在实验室模拟时只能做到 64%, 有时候到 60%就上不去了。材料学家认为 60%—64%就是 真理。如果说实践是检验真理的唯一标准,那数学的唯一标 准在哪呢?数学的标准和材料学的标准哪个是标准呢?(2) 有一种理论和实验总结规律有关,还有一种理论是所谓第一 性原理,如薛定谔方程。薛定谔方程是经过很多次考验以后 才被相信的,在解薛定谔方程的时候,不做任何先行假定, 这◆▼才是第一性原理。刚才说的那个密度泛函,考虑的是电子 —电子相互作用,如果考虑电子—声子相互作用,结果就会 不一样了。多考虑一个作用,就增加一个参数,他可以发表 文章,但从科学发展角度看就不太值钱,只能参考,不要迷 信。要把现在所有的有关实验,包括逼真实验等等,搞得很 清楚,然后去总结唯象规律。重要的是,第一掌握实验,第 二搞唯象,第三把所有的理论联立,那样就会有大贡献。(3) 现在号称是第一性原理计算的,精度远远到不了做定量比较 的程度。做定性的、趋势性的比较还是很重要的。趋势可能 是对的, 现在计算还到不了定量化程度, 这▽•●◆不是说谁算错了, 而是因为如果对量子力学原始写法不做简化,就解不了这个 方程,但一简化,就必然会引入误差,而且,这个误差是无 法知道的,对于原始的薛定谔方程,现在还解不了。(4)很多 时候观测数据很重要,如果没有新的观测手段,多数研究就 走不下去了。粒子物理研究现在也发展到了这个阶段。目前 正在设计一个中微子实验,观测太阳中微子,主要目的是通 过实验提供一些太阳模型。地球物理同样需要新的实验手段, 得到新的第一手数据,才会有本质上的进步。如果还是和原 来一样,就像我们的中医,只是靠号脉,而不增加新的诊疗 手段,则很难提高水平。现在的中医院也有 X 光和 CT 检查 了,这就是新中医,它进步了。(5)观测实验和理论计算哪个 更重要?科学实验在认识中的作用非常重要,必须借助于实 验,才能深入揭示自然的奥秘。实际上,进行计算所依据的 理论也是根据长期观察总结出的规律性认识,已经经过了实 践的检验。进行理论计算的过程应该是一种帮助我们梳理证 据链的过程。因此,一般情况下,理论计算和实验观测往往 具有异曲同工的作用,许多理论计算和实验观测会得出相同 的结论就是明证。(6)把观测和实验结果总结上升○▲-•■□为理论,这 中间有很长的路要走。在研究地核温度的金刚石压砧实验中, Anzellini 等之所以得出和 Boehler 完全不同的结论[8,12], 是因为他们采用了新的熔化判别标志,想法不同了,结论也 就不同了。面对同样的观测和实验结果,不同的人会给出不 同的解释和结论,这种实例并不乏见,尤其当证据链不完整 时,更是如此。面对罪犯留下的蛛丝马迹,菜鸟侦探往往无 功而返,福尔摩斯却总能使罪犯落网。从梳理真凭实据到得 出科学理论的过程值得大家深思。总之,正如大家在讨论中 所说,如果没有新的观测手段,很多前沿科学的研究就会步 履艰难。近代自然科学的重要特征就是实验和科学的思维方 法,这两者是近代自然科学区别于中世纪经院科学的关键所 在。对理论的创新和科学的进步,历史自有公论。参考文献 [1]CavendishLH.Phil.Trans.Ro☆△◆▲■yalSoc.London,1798,88: 469 ◆■[2]WiechertEJ.Nachr.K.Ges.Wiss.Goe◇=△▲ttingen,Math-Kl., 1897,221 [3]OldhamRD.Q.T.Geol.Soc.London,1906,62:459 [4] Mohorovicic A. 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