深入挖掘地核和地幔之间的相互作用

一本新书介绍了我们在理解地核-地幔相互作用和共同进化方面的重大进展，并展示了提高我们对地球深层过程的洞察力的技术发展。

与地核-地幔共同演化相关的地球深层结构和动力学的图示。图片来源：白石千寻

Editors' Vox是 AGU 出版部的博客。

地球深层内部很难直接研究，但最近的技术进步使得新的观察、实验、分析和模拟能够更好地了解地球深层过程。AGU地球物理专着系列的新书《核心-地幔共同演化：一种跨学科方法》提供了对核心-地幔边界区域的动力学、结构和演化的最新见解。我们请主编概述了该领域的一些令人兴奋的新发展。

简而言之，地球内部深处发生的主要过程是什么？它们为何如此重要？

地核中液态金属的冷却产生上升和下沉运动，从而形成地球磁场。磁场保护地球表面的生命免受太阳发射的带电粒子和从银河系其他地方轰击地球的有害影响。

类似的上升和下沉运动发生在硅酸盐地幔中，这形成了板块构造。地球的整体冷却使地球表面的板块移动，并创造了我们星球的地理特征——海洋、山脉、岛屿和我们居住的土地。

地核和地幔之间的相互作用有什么特别有趣的地方？

在地核-地幔边界处是一个混乱的化学交换市场

炽热的熔融金属压在核幔边界处的固体岩石上。金属和岩石很热并且会发生化学反应。金属想要将岩石中的任何金属杂质吸入其中，反过来又想要除去岩石中的任何矿渣状杂质。这造成了化学交换市场的混乱。

由于无法直接研究地球深处，科学家使用什么方法、技术和工具来了解那里发生的过程？

我们有一系列工具可用于研究地球深处发生的过程。例如，在实验室中，我们可以对岩石和金属进行高压实验，以观察它们在模拟地球内部深处的条件下晶体结构和材料特性的表现。我们还可以收集穿过地球深处的地震记录，以更多地了解地球内部的结构。我们可以测量的另一件事是地球磁场的变化，它直观地向我们展示了晴朗夜空中的极光椭圆形，这是地球磁场与太阳活动相互作用的结果。我们还可以使用计算机模拟来了解岩石和金属特性，并模拟整个地球的演化。

您认为我们对核幔相互作用和共同进化的理解中最令人兴奋的最新进展之一是什么？

通过跨学科的研究，我们现在了解了硅酸盐的溶解，这导致了硅酸盐地幔和金属核心之间的热和化学相互作用。这可能有助于解释地球演化过程中磁场的产生。

跨学科方法如何有助于研究核幔过程

当来自不同学科的科学家共同解决一个问题时，我们能够发现更多。

当来自不同学科的科学家共同解决一个问题时，我们能够发现更多。我们本书的贡献者来自许多不同的领域，这使得我们能够更全面地理解。例如，地震学可以对地球内部深处的结构进行成像，而高压实验可以识别地核-地幔边界的温度和压力条件下的材料特性。通过结合这两种方法，我们可以构建核幔过程动力学的图像。然而，这些过程的基本物理和化学不能仅通过这两种方法来理解：计算机模拟和热力学理论可用于量化关键过程。

我们对核心-地幔相互作用和共同进化的理解和未解决的问题有哪些差距？

氢是宇宙中最丰富的元素，但我们不太了解它是如何融入构成地球核心的金属中的。对氢-铁系统的更好了解将有助于我们解决诸如地核-地幔边界的温度是多少等问题。十年后，氢的作用可能会被更好地理解。

您的书是在 AGU 出版《核幔边界区域》 25 年后出版的。您认为 25 年后另一本书会报道哪些最新进展？

我认为，25 年后，地球内部如何以及在何处通过放射性衰变产生热量将是重大进展。我们书中描述新检测方法的章节指出了我们如何开始回答这个问题。