近日，南方科技大学地球与空间科学系景志成课题组在地核的化学组成研究中取得新进展。相关研究成果以“Hydrogen and silicon are the preferred light elements in Earth’s core”为题在国际学术期刊《通讯—地球与环境》（Communications Earth & Environment）上在线发表。

地核是地球的重要组成部分，是位于地球中心半径为3481千米的巨大铁合金金属球，约占地球总质量的48%。地核可进一步分为液态外核和固态内核（图1），其中内外核成分差异推动的外核导电流体的对流运动是地球内生磁场的主要动力源泉，进而为地球大气和表面生命圈层抵御太阳风的侵蚀提供安全屏障。因此，精确限定地球内外核的化学组成对于深入理解地球的形成和演化过程及地磁场的维持机制具有重要意义。

图1：地球的内部结构及对内外核物质的计算模拟

自上世纪50年代地球物理学家弗朗西斯·伯奇（Francis Birch）提出地核中除铁和少量镍之外还含有一定量的轻元素（如硅、氧、硫、碳、氢等）以来，人们发展了多种基于地球化学和地球物理观测以及矿物物理理论与实验的地核组成模型，但受限于反演问题的多解性，地核轻元素的种类和确切含量仍是地球科学的重要前沿问题。

在这项研究中，研究团队重点考查地核轻元素特别是氢在地球内外核中的化学平衡，并结合地核的地震学模型对内外核成分进行了联合反演，得到了对地核化学组成的新认识。这项研究的关键在于确定氢在地球内外核间的分配行为。氢是太阳系中的丰度最高的元素，并且在地核形成所需的高温高压条件下具有很强的亲铁性质，因此是地核轻元素的重要备选元素。然而，由于氢的原子半径很小，在高温高压条件下的铁合金中表现为超离子状态，具有极高的扩散性，这给氢在固态和液态铁合金之间的分配系数的实验测量和基于热力学积分的常用化学势计算方法造成了挑战。研究团队基于第一性原理分子动力学方法，通过将神经网络算法和Widom粒子插入方法相结合，显著提升了氢在铁合金中的化学势的计算效率，精确得到了氢在地球内外核间的分配系数（图2），发现氢在地球长期冷却所导致的内核生长过程中更倾向于在外核富集。

图2：地核条件下氢的化学势和分配系数

该研究结合外核密度和波速以及内核密度的观测数据、铁合金熔体和固体的矿物物理数据，并考虑轻元素在内外核间的化学平衡，评估了外核和内核中轻元素的种类和丰度，发现氢和硅作为地核中的主要轻元素可以更好的解释地震学观测得到的地核密度和波速（图3），这也意味着早期地球在吸积和地核形成过程中经历了一个相对还原的反应环境。

图3:外核中的轻元素含量及对应的失配函数优化结果

景志成课题组高级研究学者刘涛为论文第一作者，景志成副教授为论文唯一通讯作者，南科大为论文唯一单位。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金共同资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s43247-024-01450-3