第八届青年地学论坛

地球内核是地球内部最神秘的区域，地震学研究显示，内核结构展现出复杂的不均一性和各向异性特征，还存在地震波衰减和结构变化等特性。解答这些特征的成因，是认知内核结构、组成和演化的关键，然而目前尚无统一理论或模型对这些观测到的特征进行解释。地球内核被认为由Fe，Ni及其一些轻元素（C、H、O、S、Si等）组成，我们对六方相Fe-H、Fe-C和Fe-O合金在内核温压下进行了分子动力学模拟，发现轻元素像液体一样在铁晶格中流动，表明进入了超离子态。快速流动的轻元素导致合金弹性软化，解释了地球内核低横波波速之谜，地球内核由固态铁和在其晶格中流动的轻元素组成，这颠覆了地球内核是固态的传统认知。超离子态也成为地球科学研究中有别于气态、液态、固态和超临界态的第五种物质形态，其介于固态和液态之间的特殊性质，将对地球内核的性质将产生显著影响。近期利用深度学习势能分子动力学模拟了电场下超离子态Fe-H合金(hcp)的离子输运性质，发现当c轴方向与电场方向平行时体系的自由能取最小值。因此，超离子态Fe-H合金同时表现出地震波速与离子输运的各向异性。根据内核偶极磁场分布，构建了地磁驱动下的超离子态内核各向异性模型，解释了内核极轴方向与赤道面方向的各向异性、内核各向异性随深度的变化、内核各向异性的复杂特征（东西半球各向异性等）。有趣的是，地球内核的诸多未解之谜在超离子态模型中得到了统一。更重要的是，地磁场与超离子态物质发生了显著的相互作用，并导致了内核结构的各向异性，这为地磁场运行机制研究和地磁倒转等重要科学问题的解决提供了全新思路。
 

地球内核、超离子态、地磁场、各向异性、分子动力学