在地球中心 科学家发现了一个“金属球”

▎药明康德内容团队编辑

在凡尔纳的《地心游记》中，一位科学家同侄子和向导经历了一次穿越地心的奇妙旅行。一直以来，人们对地球深处充满了好奇。在我们脚底下厚实的岩层下面，究竟隐藏着怎样的“地心奥秘”？

由于人类迄今最深的钻井也“只有”12千米，相比于地球接近6400千米的半径实在是杯水车薪，因此我们显然无法指望通过打洞来探测地球内部。好在科学家有其他手段来了解地球内部的结构，地震波就是非常重要的一种。

通过地震波在不同介质中传播速度的差异，上个世纪科学家发现了地球的圈层结构，由外至内分别是地壳、地幔和地核。其中，主要由铁、镍组成的地核又分为两层：液态的外核，以及位于地球最中心、半径约1200千米的固态内核。

这个传统的地球圈层结构广泛出现在教科书中，但最近，一项发表于《自然·通讯》期刊的研究向地核的结构发起了挑战。根据这项研究，在内核中还有一个首次发现的“金属球”——最内内核（innermost inner core）。

▲通过全新的地震波探测策略，研究团队发现了地球中心的新结构（图片来源：Hrvoje Tkalčić）

完成这项研究的是澳大利亚国立大学的两位科学家。其中一位作者Thanh-Son Phạm博士表示：“大约20年前，有人猜测在内核中存在一个内部的金属球，也就是最内内核。现在，我们为这个假说提供了新的证据。”

尽管已经有假说猜想内核还可以进一步划分为不同结构，但此前的地震波监测从未找到直接证据。一个重要原因是，监测工具的灵敏度有限，无法探测到足够高分辨率的信号。

在最新研究中，作者运用多个地震仪监测地震波在穿越内核的铁镍实心球时的改变。为了获得更清晰的信号，研究团队的策略是让地震波信号像“打乒乓球”一样来回反弹。当地震波穿透地核、到达地球的另一头之后，再反向传播。如此往复，最终可以得到沿地球直径传播5次的地震波，它们从不同角度探测地球中心附近。

由于地震波在传递过程中不断衰减，研究团队将来自同一次地震的波形堆叠，从而构建出地球内核更为详细的图景。相比于以往只有一次“反弹”的监测方式，这项新研究可以捕捉到更多细节。

运用这一策略，作者对全球约200次6级及以上的地震数据进行了分析。通过分析不同地震事件中地震波传播时间的变化，研究团队推断，内核中心区域的结晶结构与外层不同，在地球最中心的地方有一个半径约650千米的“金属球”。只有这样，才能解释地震波在穿透最内层时，波速随着进入的角度而改变的现象。

“这意味着内核的主要成分——铁，在最内内核与外层的晶体结构很可能不同。” 领导这项研究的Hrvoje Tkalčić教授表示。

▲地震波传播机制示意图（图片来源：参考资料[1]）

Tkalčić教授介绍道，对地球内核深处的研究可以帮助我们理解地球的历史与演化：“内核就像是地球演化历程的时间胶囊。它是一份化石记录，是走进地球历史事件的入口。”

目前，关于这个全新的内层结构，还有太多未解之谜。这个中心圈层的详细成分是什么，它又是在地球演化的哪个阶段，因为什么过程形成的？这些问题都需要进一步的研究来解决。

值得一提的是，这还不是上周关于地球内部结构的唯一重磅发现。就在《自然》杂志的一项研究中，芝加哥大学的科学家发现在地幔中可能存在一层环绕地球的流体岩石，为地幔流动的机制提出了新的观点。看来，我们对这颗星球的认识还远没有抵达终点。

参考资料：

[1] Phạm, TS., Tkalčić, H. Up-to-fivefold reverberating waves through the Earth’s center and distinctly anisotropic innermost inner core. Nat Commun 14, 754 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36074-2

[2] Bouncing seismic waves reveal distinct layer in Earth's inner core. Retrieved February 21, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/980308

[3] Secrets of Earth’s inner core revealed by large quakes. Retrieved February 21, 2023 from https://www.nature.com/articles/d41586-023-00496-1