地球的内心到底是怎么样的?

文章转载自公众号 石头科普工作室 石头科普工作室 作者 刘晓豪










就如同一个煮熟的鸡蛋拥有可以分层剥开的蛋壳、蛋白和蛋黄一样,我们赖以生存的地球其实也具有分层的结构,内部圈层从外到内分别是地壳、地幔地核。


我们都知道地球内部每时每刻都在产生大量的,即地热,而这些地热的源头就是地核。长久以来人们都想对地核进行一个深入而细致的研究,可是由于地核的起始深度约为2900千米取样将会非常困难,那么在这么夸张的深度之下,地核到底是什么样的?科学家又究竟是如何探测和研究呢?



“火炉”的“炉心”

理论推测表明,地核的外核温度就可以高达5000℃,地核的内核温度极有可能会更高,而且历经40亿年地球仍保持“高烧不退”,主要原因就是地核在稳定地产热。

如果说地球内部像个火炉的话

地核就如同火炉的炉心

具有非常高的温度

地球的圈层结构



地核的组成存在液体?

地核的深度非常大,那么在这么大的深度下,压力也一定也非常大——由此推测,物质的存在状态应该是固体。

然而,地球物理学家们通过检测地震波的方法对地球做了一个“B超”,他们惊奇地发现:地幔以下大约5100公里处地震横波突然出现消失了!理论上来说,这个范围应属于外核,所以推测外核物质是“液态”;而在5100—6371公里时,横波又突然出现,这里是内核的范围,在这里,纵波可以转换为横波,故而物质状态应该是刚性的“固态”

地震波的速度差异



地幔和地核之间的物质交换

由于板块之间的俯冲作用,地壳和地幔之间会存在着成分的交换,那么,同样作为地球圈层结构之一的地核,它和地幔之间是否存在交换呢?

俯冲作用又称消减作用。指一板块沿汇聚板块边界向相邻板块下方潜入的过程。例如洋壳向地幔潜入的过程。

通过对深部地幔岩石样品与其他地幔样品的研究对比,研究人员最近发现:一些地核物质确实会逐渐向上转移到地幔柱的底部,而地核起码在最近的25亿年内,一直在向外泄漏着,没有停止


我们知道,地核和铁质陨石具有非常相似的成分,地核也主要由以及溶解在铁镍合金中的,还有等元素组成。如果要研究地核中的元素变化,应该优先选择这类元素。

核幔交互作用



从地核泄漏到地幔里的钨

钨(W),位于元素周期表第六周期第VIB族,是第74号元素,属于过渡元素。钨有几种不同的同位素,包括钨-182(含108个中子)和钨-184(含110个中子)


如果研究人员的推论是正确的,那么地幔里的钨-182与钨-184的比值应当比地核中要高得多。这是因为地幔中富含另一种元素(Hf),它不溶于铁镍合金,而且还具有一种目前已不存在的同位素铪-182;这种同位素会衰变为钨-182,而钨-182只会存在于地幔中,而不会迁移到铁镍合金的地核中。因此相比于地核,地幔会获得额外的钨-182。


在地球上最古老的岩石——也就是位于加拿大阿卡斯塔的片麻岩中——钨-182与钨-184的比值远高于现代地球上的大多数岩石。而这,正验证了这个推论。


所以,钨的同位素可以作为地核物质泄漏的最主要证据


地核中的钨为什么会泄漏

在俯冲作用中,由于板块的密度存在差异,地球表面的岩石会进入到地幔,从而导致地表的富氧物质带入深部地幔之中,而通过模拟研究发现,如果地核与地幔边界的氧浓度出现增加,将会导致钨从地核中分离出来并进入地幔


通过对钨同位素差异的研究,我们可以更好地识别出核幔的物质迁移方向,这项研究对地核与地幔之间的相互作用有着重要的指示意义,而且有助于我们了解地核里面到底存在着什么,从而使得我们可以窥探到地球的内心。



参考资料及图片来源:

[1] H. Rizo, D. Andrault, N.R. Bennett, et al., W-182 evidence for core-mantle interaction in the source of mantle plumes, Geochemical Perspectives Letters, 2019, 11, 6-11.

[2] 徐文耀, Buffett B . 谜一般的地球内核[J]. 物理, 2013(11):799-800.

http://www.uua.cn/uploadfile/2014/0121/20140121031628574.jpg

http://a.hiphotos.baidu.com/zhidao/pic/item/738b4710b912c8fccb157c93fe039245d788218d.jpg

百度百科“俯冲作用”词条


撰稿:刘晓豪

美编:李莹

责编:江陵


来源:石头科普工作室

编辑:Tim


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