地球，人類的家園，仍有太多未解之謎等待揭曉，地核里輕元素的成分就是其中之一。如今，這項困擾科學(xué)界近60年的關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性問題正被中國人破解。
3月19日，湖北日報全媒記者從湖北省科技廳獲悉，武漢理工大學(xué)黃海軍教授團隊歷經(jīng)二十載攻堅，憑借動高壓實驗技術(shù)，重新界定地心溫度與地核輕元素成分與構(gòu)成，為解鎖地球深層奧秘提供了關(guān)鍵的“中國參數(shù)”。
這項突破性研究成果相繼發(fā)表于《Nature》《Nature Communications》等國際頂級期刊。截至目前，論文已被引用78次，成為地核氧含量與溫度研究的標(biāo)桿性成果。國際知名地球物理學(xué)家Thomas S.Duffy教授稱，該研究方法讓“地核輕元素的爭論即將得到解決”。
地核深藏于地表以下2890公里—6370公里范圍，并且處在極端高溫高壓環(huán)境下（壓強范圍：136萬—360萬個大氣壓），人類無法直接獲取樣本，其成分成為地球科學(xué)領(lǐng)域的千年謎題。從儒勒凡爾納《地心游記》的科幻暢想，到用高科技手段開展真實的“地心之旅”，人類對地球最深處的探索從未止步。已知地核主要由鐵構(gòu)成，還含有約10%的碳、氫、氧、硅、硫等輕元素，這些看似微量的元素，卻是決定地核熱狀態(tài)、磁場產(chǎn)生乃至整個地球動力學(xué)過程的“基因密碼”。過去數(shù)十年，學(xué)界圍繞地核輕元素組成爭論不休，“富氧”和“富硅”兩大假說各執(zhí)一詞，各種推測莫衷一是，成為阻礙地球深部研究的瓶頸。
黃海軍教授（右一）團隊用二級輕氣炮開展動高壓實驗（湖北日報全媒記者 文俊 攝）
為破解這一難題，黃海軍團隊與國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)深入合作，獨辟蹊徑，將高壓物理與地球物理深度交叉融合，利用二級輕氣炮等裝置開展動高壓實驗。通過高速碰撞讓樣品內(nèi)部瞬間產(chǎn)生近似地核的高溫高壓環(huán)境，精準測量候選物質(zhì)的密度、聲速等關(guān)鍵參數(shù)，再與地震波探測數(shù)據(jù)反復(fù)比對，反演地核真實成分。
經(jīng)反復(fù)實驗、反復(fù)驗證，結(jié)果顛覆了學(xué)界長期的固有認知：地核呈現(xiàn)“貧氧、貧硅、富硫”的特征，并非此前主流認為的“富氧”或“富硅”；同時，經(jīng)黃海軍團隊科學(xué)估算，地球內(nèi)外核邊界溫度約為5000開爾文（約4727攝氏度），較此前相關(guān)研究推測降低近1000攝氏度，也打破了“地心與太陽表面同溫”的固有認知，讓世界對地球最深處的熱狀態(tài)有了全新認識。
研究首次明確，地球的外地核，按重量計算主要由幾種物質(zhì)組成：鐵占91.5%，氧占2.2%，硫占5.3%，硅占1%。
據(jù)介紹，這近千攝氏度的溫度修正，并非簡單的數(shù)值調(diào)整，而是對地球內(nèi)部動力學(xué)研究的重大推動。地核是地球內(nèi)部的“能量引擎”，其釋放的熱量是驅(qū)動板塊運動、火山噴發(fā)、地震發(fā)生的根本能量來源，精準的溫度與成分數(shù)據(jù)，讓科學(xué)家能更準確地模擬地球內(nèi)部的能量運轉(zhuǎn)機制；地球磁場源于液態(tài)外核的對流運動，這層“天然防護罩”保護著地球生命免受宇宙射線侵害，而地核溫度與輕元素含量直接影響對流特性，該研究為預(yù)測地磁場長期變化、研判磁極翻轉(zhuǎn)等極端事件提供了關(guān)鍵依據(jù)。
據(jù)業(yè)務(wù)人士稱，地核呈現(xiàn)“貧氧、貧硅、富硫”的特征，證實了原始地球成核經(jīng)歷了“由初始還原環(huán)境到后期氧化環(huán)境的復(fù)雜轉(zhuǎn)變”，研究極大縮小了輕元素研究范疇，為地核研究開辟了全新路徑。同時，對傳統(tǒng)地球演化模型框架形成挑戰(zhàn)，為構(gòu)建完整的地球演化歷史補上了關(guān)鍵一環(huán)。該研究成果還為解讀太陽系類地行星演化機制、尋找人類宜居的地外行星提供了重要參考。
湖北日報全媒記者 文俊 通訊員 謝小琴
