地球内核化学分层揭示深度依赖各向异性新机制

《Nature Communications》：Depth-dependent anisotropy in the Earth’s inner core linked to chemical stratification

地球内核的压缩波速度各向异性(VP anisotropy)是地球深部结构的核心谜题。本研究通过128 GPa/1100 K条件下的径向X射线衍射实验，首次揭示Fe-Si-C合金的塑性变形机制与地震各向异性的内在关联。研究发现hcp-Fe-2Si-0.4C合金在核幔边界条件下仅产生~2%的VP各向异性，显著低于纯铁的6.5%，表明硅碳元素的空间梯度分布可能是内核分层各向异性的成因。该成果为理解地球内核化学演化提供了关键实验证据。

　　

地球固态内核作为行星最深部的金属球体，其结构特征始终是地球科学研究的焦点。地震学观测发现一个引人入胜的现象：穿过内核的压缩波会表现出方向依赖性，平行地球自转轴方向的波速比赤道方向快3-4%，这种被称为地震各向异性（seismic anisotropy）的特征暗示内核物质存在定向排列。更精妙的探测还揭示出各向异性具有深度依赖性：外层内核各向异性较弱（约2%），而最内核区域增强至4-6%。这种复杂结构如同地球中心的"洋葱层"，其形成机制至今悬而未决。

科学家们提出两种可能的解释模型：形状优选取向（SPO）假设认为固态铁晶粒间存在液态包裹体形成的定向结构，但物理模拟表明液态组分易通过压实作用流失；晶格优选取向（LPO）模型则主张六方最密堆积（hcp）铁晶粒在结晶或变形过程中产生定向排列。后者更受认可，但关键问题在于：地球内核并非纯铁，而是含有5-7%轻元素（硅、碳、氧等）的合金，这些"添加剂"如何影响铁的变形行为和各向异性？此前研究多集中于单一元素（如镍、硅）的影响，而对实际内核中可能存在的多元素协同效应知之甚少。

为破解这一难题，由德国明斯特大学Efim Kolesnikov博士领导的研究团队在《Nature Communications》发表最新成果。他们通过高超压高温实验模拟内核环境，首次揭示硅（Si）和碳（C）共同存在时对铁合金塑性变形机制的调控作用，并提出内核化学分层可能是导致深度依赖各向异性的关键因素。

关键技术方法包括：1）采用电阻加热金刚石对顶砧（DAC）实现128 GPa/1100 K的极端条件；2）径向X射线衍射技术原位监测晶体变形；3）弹-粘塑性自洽（EVPSC）模型模拟塑性变形机制；4）基于第一性原理计算的弹性刚度张量外推核芯条件；5）多晶织构分析结合地震波速各向异性计算。

应变和强度特征

通过分析hcp-Fe-2Si-0.4C合金在300K和1100K等温线上的衍射图谱，研究发现该合金的晶格应变参数〈Q(hkl)〉在60 GPa以下保持稳定（约0.007），高温下因Fe₃C析出导致参数下降。强度计算表明含碳合金的屈服强度显著高于纯铁和铁硅合金，128 GPa时达15 GPa，证实碳元素对铁硅合金的强化效应。

变形机制解析

织构分析显示：300K时晶格优选取向（LPO）从[0001]方向逐渐转向[^?1100]，对应棱柱面滑移主导；1100K时则保持[0001]基底滑移特征。EVPSC模型进一步确认基底滑移（0001)〈^?12^?10〉是高温下的主导机制，需配合棱柱面滑移或压缩孪生才能复现实验观测的应变和织构特征。

内核强度与黏度

外推计算表明hcp-Fe-2Si-0.4C在内核边界（329 GPa/5500 K）的强度为12±3 GPa，显著高于纯铁。基于位错运动模型的黏度计算显示该合金的黏度（10¹⁶-10¹⁷Pa·s）与地球物理观测值（10¹⁴-10¹⁸Pa·s）高度吻合，证实热对流产生的剪切应力（10³-10⁹Pa）足以驱动变形诱导各向异性。

各向异性成因

关键发现在于：Fe-Si-C合金在外核条件下仅产生2.0±0.3%的VP各向异性，而纯铁理论值达6.5%。这一差异与地震观测的外层内核低各向异性特征匹配。结合纯铁在高内核区域可能保持高各向异性的认识，研究提出化学分层模型：内核结晶过程中硅碳元素向外扩散，形成由内向外浓度递减的径向梯度，导致各向异性强度随深度增加。

这项研究首次通过实验验证多轻元素合金的变形行为与地震观测的直接关联，为理解地球内核演化提供新范式。其意义不仅在于揭示化学分层对各向异性的控制作用，更开创性地将材料塑性力学与全球地震学观测相融合，为探索类地行星内核结构树立了跨学科研究典范。未来结合更精确的内核成分约束和三维地震层析成像，有望最终揭开地球最深处"金属球"的完整形成历史。