地核的热输运性质与地核对流的驱动机制

张友君

四川大学 原子与分子物理研究所，成都 610065

地球之所以能成为宜居性行星的一个关键因素是其具有已存在约35 亿年的全球性磁场（Tarduno et al., 2010），它保护着地球上的有机生命体免受太阳和宇宙的有害射线。地磁场是由地心液态金属核的带电对流产生（Buffett, 2000），需要持续的能量予以驱动和维持. 一般认为，成分对流（chemical/compositional convection）和热对流（thermal convection）是驱动地核对流的两种主要方式. 然而，在地核的长期演化中，地核对流的驱动机制和演化过程却不明确（Dobson, 2016）. Zhang 等（2020,2021, 2022）通过激光加热金刚石压腔技术在实验室制造地核的极端温压环境，同时利用改进型范德堡四电级法测量了地核组分Fe 合金在相应温压下的电阻率（电导率的倒数），并结合理论计算获得了Fe 合金的热导率，从而揭示了地核的热流量、热分层以及地核对流的驱动机制（图1）.

图 1 地核的热流量、热分层以及对流示意图. 地核顶部的亚绝热环境可造成地核的热分层，该热分层会抑制热对流的产生并影响地震波的波速Fig. 1 Schematic of the heat flux, thermal stratification, and convection in Earth's core. A subadabatic temperature gradient at the top of the outer core may inhibit its thermal convection and change the seismic wave velocity

在核幔边界，当地幔一侧的核幔边界热流量（

Q

）大于熔融外核顶部热流量（

Q

）时，即满足史瓦西判据（Schwarzschild’s criterion），外核在热传递过程中除热传导外还会产生热对流，从而驱动外核物质在底部和顶部间的循环. 在内外核边界，随着熔融外核的冷却和固态内核的结晶，部分轻元素会从固态铁中析出到液态铁，从而形成成分对流. 在地核演化过程中，其温度、成分和结构会发生改变，导致热对流和成分对流的有效性和强度也会随之变化.

陨石学和矿物物理学相关证据表明地核主要由Fe、Ni 和一定量的轻元素组成（Hirose et al.,2021）. 特别地，Fe-9wt.%Si 合金在地球外核温压下能够较好地满足地震波观测的密度和声速等特征，是地核重要的候选成分之一（Zhang et al., 2018）.因此，Fe 合金在地核温压下（130～360 GPa 以及3 000～6 000 K）的电、热输运性质是揭示地核对流机制以及热演化过程中非常重要的参数. 一般来说，地核的电导率越高越容易产生电流和感生磁场；相反地，热导率越高却越可能抑制热对流的发生（Driscoll and Du, 2019）.

Zhang 等（2020, 2021）实验发现在80～160 GPa 的地核高压下，随着温度从室温增加到近4 000 K 时，hcp-Fe 和hcp-Fe-10wt.%Ni 合金的电阻率呈近似线性增加，并且与温度的关系可用Bloch-Grüneisen 方程较好地描述. 然而，对于hcp-Fe-9wt.%Si 而言，其电阻率几乎不随温度的增加而变化，且不再遵守Bloch-Grüneisen 方程（Zhang et al., 2022）. 动力学平均场理论计算表明Si 杂质散射对hcp-Fe 电阻率随温度的响应起到了非常重要的作用，且在超高温下超过了电子-声子和电子-电子散射的作用. 实验和理论共同确定了Fe-9wt.%Si合金在外核顶部条件下（～140 GPa 和4 000 K）的电阻率约为90 μΩ cm. 同时，利用Weideman-Franz 定律导出其在相应条件下的热导率约为100 W/m/K，并据此限定了外核的绝热热流量约为15 TW.

另一方面，通过对下地幔主要矿物（铁方镁石和布里奇曼石等）热导率和下地幔温度梯度的研究，核幔边界的热流量

Q

一般被限定为10～12 TW（Hsieh et al., 2018）. 与之相比，Fe-Si 地核的绝热热流量小于核幔边界热流量（

Q

＜

Q

）. 该结果表明地核顶部区域可能处于亚绝热条件，这导致在外地核的热传递过程中很难产生热对流. 基于此，目前外核对流可能主要是由内核结晶生长时释放部分轻元素所产生的成分浮力所驱动. 同时，地核顶部的亚绝热环境还会产生一个宽度可达数百千米的热分层，并且该分层可能导致地震波穿过此处时发生异常变化.

Zhang 等（2022）主要从Fe-Si 组分的电、热输运物性来限定外核的热状态、热演化以及对流机制. 一些研究认为地核中除含Si 轻元素外，还可能含有C、S、O 和H 等轻元素（Hirose et al.,2021）. 特别地，不同于在Fe-Si 和Fe-S 等合金中轻元素替代了hcp-Fe 的晶格位，当C 和O 等原子与Fe 形成合金时，后者可占据hcp-Fe 晶格的间隙位（He et al., 2022; Huang et al., 2022）. 不同的合金机制可能会导致轻元素对Fe 输运性质产生不同的影响，因而需要更多的实验和理论研究明确其它轻元素对地核热输运的作用. 再者，通过Weideman-Franz 定律和理论计算将电阻率转换为相应热导率的方法中，主要考虑的是Fe 合金的电子热导率，而忽略了部分晶格热导率的贡献. 因此，直接测量Fe 合金在地核条件下的热导率对于精确限定地核热导率变得相当重要. 然而，在地核温压下直接测量地核组分的热导率还相当困难，并且少有的测量结果与通过电导率导出的结果依然存在不可调和的差异（Hsieh et al., 2020）. 所以，发展在极端高温高压下精确测量凝聚介质热导率的新技术变得尤为重要.

此外，在下地幔，特别是下地幔底部D

"

层，一些研究认为其成分存在各向异性，比如在下地幔底部除主要的铁方镁石和布里奇曼石矿物外，部分区域可能富集其它矿物，如CaSiO、FeOH以及富Fe 硅酸盐等（Hou et al., 2021; Tschauner et al.,2021）. 在相应条件下，这些局部富集矿物的热导率可能与主要硅酸盐矿物有所不同，因而会造成核幔边界热导率和热流量的各向异性. 因此，考虑下地幔局部热导率和热流量的各向异性对进一步揭示核幔间的电、热相互作用以及地核对流运动的机制也同等重要.