综述：地球内核的形成与演化

（编辑推荐）这篇综述挑战了传统内核生长理论，提出液态外核需经历显著过冷（supercooling）才能自发成核，矿物物理计算表明需≥450 K过冷度，但地球物理约束下更可能<100 K。研究揭示内核生长存在两阶段：快速冻结阶段（cm yr?1）与平衡生长阶段（mm yr?1），为地磁场（geomagnetic field）生成机制和地震/古地磁（palaeomagnetic）记录解读提供新视角。

　　

Abstract
地球固态内核从液态外核中的生长为地磁场（geomagnetic field）的产生提供了关键驱动力。然而，传统内核生长模型忽略了液体冻结前必须过冷（supercooling）至熔点以下的物理要求。最新矿物物理计算表明，地球内核自发成核需要至少450 K的过冷度，但地球物理约束将实际过冷度限制在420 K以内，更可能低于100 K。这一矛盾暗示内核生长可能经历两个截然不同的阶段：第一阶段以厘米级年速（cm yr^?1）快速冻结过冷液体，第二阶段转为毫米级年速（mm yr^?1）的平衡生长，与地核冷却速率同步。

The impact of supercooling
过冷现象彻底改变了内核形成的初始条件。当液态铁合金温度低于平衡熔点时，其成核能垒（nucleation barrier）需要通过显著的过冷来克服。分子动力学模拟显示，纯铁在330 GPa压力下需要约30%熔点的过冷度才能成核，相当于地球内核边界（ICB）处需450 K过冷。然而，地核的实际热力学状态受制于地幔散热效率，过冷度可能被压缩至100 K以下。这种差异指向一个关键结论：内核可能通过局部瞬态过冷事件启动，而非全球平衡相变。

Two-stage growth dynamics
两阶段生长模型完美协调了理论需求与观测矛盾。快速生长阶段（阶段一）的特征包括：

• 冻结速率高达3 cm yr^?1，与地磁急变（geomagnetic jerks）时间尺度吻合
• 释放的潜热（latent heat）可能引发外核局部对流重组
• 在古地磁记录中留下"快速冻结信号"——如6亿年前地磁场强度突增30%

平衡生长阶段（阶段二）则表现为：

• 生长速率降至0.5 mm yr^?1，与现代地核冷却速率匹配
• 形成各向异性（anisotropy）明显的晶体织构，被地震横波（S-wave）各向异性观测证实

Seismic and palaeomagnetic fingerprints
地震学证据为这一理论提供了立体验证。内核顶部300 km呈现的异常低速区（low-velocity zone）可能对应快速冻结阶段形成的富杂质层。而内核边界的散射体（scatterers）则被解释为未完全混合的成核遗迹。古地磁数据中，元古代至寒武纪（Proterozoic-Cambrian）地磁场强度波动，恰与计算得到的快速生长窗口（5-7亿年前）重叠。

Future directions
未来研究应聚焦三个突破口：

1. 开发高压矿物相变原位观测技术，精确测定铁合金成核临界条件
2. 建立多尺度耦合模型，量化过冷-磁流体动力学（MHD）相互作用
3. 解析内核地震波衰减（Q值）剖面，识别可能的分阶段生长界面

这项研究不仅重塑了对地球深部动力学的认知，更为系外行星（exoplanet）磁层演化研究提供了新的物理框架。内核生长的两阶段特性暗示，类地行星的磁场可能呈现脉冲式增强，这对行星宜居性（planetary habitability）评估具有深远意义。