在地球表面之下数千公里处，隐藏着一个承受着极端压力与高温的核心区域。长期以来，科学界普遍认为，地球内核是一个几乎均匀、致密的铁质球体。但最新的实验研究正在动摇这一传统认知：地球内核可能并非“铁板一块”，而是存在着精细的分层结构。
研究人员在实验室中模拟了地球内核的极端环境，发现当铁与少量硅和碳混合时，其物理行为与一种分层内核模型高度一致。结果表明，不同深度的内核可能具有不同的化学成分——越靠近中心，铁的比例越高；越靠近外侧，轻质元素如硅和碳的含量越多。如果这一结论成立，那么这种隐藏的结构很可能是在内核从中心向外逐步结晶的过程中自然形成的。
这一发现有助于解释一个困扰地球物理学家多年的难题：地震波在穿过内核时，其传播速度会因方向不同而发生变化，这种现象被称为“各向异性”。更令人费解的是，这种各向异性并不均匀分布。地震数据显示，内核外层的各向异性较弱，而更靠近中心的区域则表现得更为明显。此前，科学界始终缺乏一个合理且统一的解释。
德国明斯特大学的研究团队或许找到了关键线索。他们利用金刚石砧装置，在实验室中对铁、硅和碳的混合样品施加极端压力并进行高温加热，以尽可能接近内核环境。实验结果显示，含有硅和碳的铁合金对地震波的影响较弱，其各向异性水平与内核外层的地震观测结果高度吻合；而纯铁样品则表现出更强的各向异性，这与内核中心区域的特征相符。
这一差异为内核分层提供了物理依据。事实上，地球最初形成时，核心并非固态。随着地球在漫长的地质年代中逐渐冷却，中心区域的条件首先满足了铁结晶的要求，从而形成了固体内核。这个过程至今仍在持续，固态内核正缓慢向外扩展。
关键在于，铁在结晶过程中对硅和碳的“容纳能力”会随着压力和温度的变化而改变。实验和理论研究表明，在较低压力和较低温度条件下，固态铁更容易吸收这些轻质元素。由于压力从内核中心向外逐渐降低，后期形成的外层固体自然会富含更多硅和碳，而最早形成的核心中心则几乎是纯铁。
可以把这个过程类比为糖溶液的结晶：在不同时间和条件下结晶出来的糖晶，结构和性质会略有不同。只不过，在地球内部，这块“糖果”直径超过一千公里，由铁和合金组成，并在数十亿年的时间尺度上缓慢生长。
由于无法直接到达地球核心，研究人员只能借助实验设备来逼近这些极端条件。金刚石砧装置通过将微小样品夹在两颗钻石之间，可产生超过百吉帕的压力，并结合电阻加热使温度升至上千开尔文。虽然这仍低于真实内核的极限环境，但已足以为科学模型提供关键约束。
借助同步加速器产生的高能X射线，研究团队观察了样品在压力下的晶体结构变化。当铁的晶格在特定方向上发生排列时，会显著影响地震波的传播方式。正是这种微观层面的原子排列，决定了宏观尺度上地震波在地球内部的行为。
实验结果显示，纯铁在高压高温下会形成高度有序的晶体排列，使地震波在不同方向上的传播速度差异可达6%至7%；而含硅、含碳的铁合金，其差异仅约为2%。这一数值与地震学家在内核外层观测到的结果高度一致，而内核中部更高的各向异性，也可以用较低轻质元素含量来解释。
研究还发现，碳的加入会显著增强铁合金的强度，使其在长期演化过程中更不易发生变形，这同样会影响晶体排列的形成方式。
这一发现的意义并不止于揭示地球深处的结构之谜。地球磁场正是由液态外核中导电物质的运动所驱动，而固态内核的结构和成分会直接影响外核的热流模式和动力学行为。换言之，内核的分层结构可能对地球磁场的稳定性和演化产生深远影响，而磁场正是保护地球免受太阳辐射侵害的关键屏障。
此外，由于内核是从中心向外逐步生长的，不同深度的化学组成可能记录了地球内部在不同时期的热状态和演化历史。这些信息被深埋在铁质结构中，无法被直接观测，却可能成为解读地球深层历史的重要线索。
通过将实验室研究、地震观测和理论建模结合起来，科学家正在逐步揭开地球最深处的秘密。这项研究表明，即便是人类永远无法直接抵达的区域，也能通过精细的实验和推理不断缩小未知的范围。地球的核心依旧遥不可及，但它的故事，正一点点浮出水面。
本文译自：studyfinds .由olaola编辑发布