地球圈层结构研究（9）
胡经国
㈤、地核
1、地核概述
地核（Core）是地球的核心。它是指地球内部深2898km处古登堡面至地心的地球核心部分，也就是从下地幔底部一直延伸到地球的核心的部分。
2、地核的大小
地核的半径为3473～3480km；体积为固体地球总体积的16%～16.2%。比较而言，地核体积占地球总体积的16%，地幔占83%，而与人们关系最密切的地壳仅占1%而已。
外核的厚度为1742km；过渡层的厚度为515km；内核的厚度为1216km。
3、地核物质组成（合理推测）
⑴、陨石研究
铁质陨石相当于地核部分，铁质陨石的主要成分为铁，并且含有5～20%的镍，推测地核是铁镍地核。
⑵、冲击波试验
根据在由于爆炸而产生冲击波的极高温度压力下的、物质密度与压力的关系推知，在相当于地核边界的温度和压力下，铁的密度是11.2g/cm3，而在地心则铁的密度为13.0g/cm3，据此证明地核是铁镍地核。同时，由于地核外层的密度只有9.5g/cm3，而在冲击波试验地核边界所得的温度和压力下，铁的密度为11.2g/cm3，说明地核除铁镍外，可能还含有硅和硫等元素。
⑶、地球磁性研究
地球的磁性来源于地核。这也是地核由铁镍组成的佐证。
4、地核结构划分
地核内部地震波传播特点显示，在地核内深4640km和5155km处尚存在两个次级不连续界面。据此，可将地核进一步分为以下三层：外核（深度2898～4640km）、过渡层（深度4640～5155km）和内核（深度5155km至地心即5155～6371km）。
5、地核的一般物理特性
⑴、物态
根据外核不能传播横波、纵波波速大幅度下降至8.1～8.9km/s的事实推测其呈液态；内核可以传播横波，说明呈固态；过渡层可以传播横波，但是波速很低，认为其呈塑性状态，即液态－固态之间的过渡态。
外核的物质呈液态；过渡层的物质处于由液态向固态的过渡状态；内核的物质呈固态，主要成分是以铁、镍为主的重金属，所以内核又称为铁镍核。
⑵、密度
地核密度可达9.98～12.5g/cm3或9.7～13g/cm3。外核平均密度约为10.5g/cm3；内核平均密度增至12.9g/cm3。
地核的密度如此之大，从地表物质来看只有一些金属物质才可与之相比；而地表最常见的金属是铁，其密度为8g/cm3，它在超高压下完全可以达到地核的密度。地核的密度还与铁陨石较接近，这也表明地核可能主要由铁、镍物质组成。地球具有主要由内部物质引起的磁场，这说明地球内部一定具有高磁性的铁、镍物质非常集中的某个圈层；而地壳、地幔中均不存在这种情况，那么它应存在于地核中。此外，人们用爆破冲击波提供的瞬时超高压来模拟地核的演变状态，并且测定一些元素在瞬时超高压下的波速与密度；结果发现地核的波速与密度值与铁，镍比较接近。综合多方面的依据推测，地核应主要由铁、镍物质组成。近年来的进一步研究还发现，在地核的高压下，纯铁、镍的密度略显偏高；据此推测地核最合理的物质组成应是由铁、镍及少量的硅、硫等轻元素组成的合金。
⑶、质量
地核的总质量为1.88×1021吨，占整个地球总质量的31.5%。其体积占整个地球体积的16.2%。地核的体积比太阳系中火星的体积还要大。
⑷、压力
地核压力为1.52～3.75×105MPa。地核之所以成为实心体，是因为地心引力在此创造出的压力是地球表面压力的300万倍。
由于地核处于地球的最深部位，因而受到的压力比地壳和地幔都要要大得多。在地核内部这种高温、高压和高密度的情况下，我们平常所说的“固态”或“液态”概念已经不适用了。因为，地核内的物质既具有钢铁那样的“刚性”，又具有像白蜡、沥青那样的“柔性”（可塑性）。这种物质不仅比钢铁还坚硬十几倍，而且还能慢慢变形流动而不会断裂。
另据研究，外核压力已达到136万个大气压；到了核心部分压力增加到了360万个大气压。对于这样大的压力，我们在地球表面是很难想象的。科学家作过一次试验，在每平方厘米上承受1770吨压力的情况下，最坚硬的金刚石都会变得像黄油那样柔软。
⑸、温度
地核的温度为4000～6800℃。外核的温度范围大约从接近地幔外侧的4000℃向内增加至接近内核的6100℃。内核的温度由核幔交界处的6300℃递增至地球中心的6800℃。地球内部的热量主要来源于三部分，分别为地球形成时的余热，地球与太阳、月球和其他行星等天体之间的潮汐摩擦加热，以及放射性元素衰变产生的热量。
2013年5月，科学家通过新的实验已经确定，地核的温度高达6000多℃，比以前估计的5000℃要高近1000℃。其炙热程度可以与太阳表面媲美。
研究人员把铁样放在极端高压环境下，利用X光探测铁晶粒的行为，用来研究铁晶粒是如何熔化和形成的。地球内核是一个固体铁球，体积与月球差不多，围绕在它周围的剧烈运动的外核主要由液态铁镍合金组成。20世纪90年代初进行的试验，测定了铁的“熔解曲线”。当时的研究结果表明，地核温度为5000℃。然而，进行最新试验的科研组，利用位于欧洲同步辐射设备的世界最强X光源，再现了与地核承受的压力相同的环境。为了做到这些，该科研组采用了名叫钻石对顶砧（DAC）的装置，即把一个微小样本放置在两块精密加工的合成钻石的尖端之间。
6、地核直径研究
2006年11月，纽约州立大学的文连星（音）宣布，地核直径正在不断膨胀之中。根据他的计算结果，地核向位于非洲中部地区的地表扩展了0.98～1.75公里。这一结论的主要依据是1993年和2003年发生在南桑维奇群岛的两次强烈地震。
根据设置在俄罗斯和吉尔吉斯境内的两座地震台的测量，2003年地震所产生的地震波到达俄罗斯和吉尔吉斯这两地的时间，比1993年时快了39～70微秒。这一现象表明，位于地震震中和两座地震台的地核直径出现了局部扩展；也就是说，处于非洲中部地区下方的地核部分正在不断“隆起”。科学家们认为，地核之所以会发生扩展是由于其内层发生膨胀所致。
当然，地核直径的局部变化，不但表明地核正在“增长”，而且还表明地核表面并不规则，分部具有大量的凸起与凹陷。
而另有一些数据则证实，地核一直在不停地旋转。因此，文连星观测到的效应也可以通过另外一种方式来进行解释：处于非洲中部下方的地核会出现局部旋转速度“提升”的情况。
7、地核核反应
美国地球物理学家玛文·亨顿（J．MarvinHerndon）在他的理论中提出，地球犹如一个天然的巨大核反应堆；而人类则生活在它厚厚的地壳上。地球表面之下3000公里深的地方，一颗直径和火星差不多大的球核，由于这里放射性元素集中，因而通过天然的衰变或核裂变放热，并且因此产生了地球磁场以及为火山和大陆板块运动提供能量的地热。
早在20世纪50年代，就曾经有科学家提出假设认为，行星表面甚至内部都可能存在自然的核反应。然而，这种理论的第一个物理证据出现在20世纪70年代。当时，法国科学家在非洲加蓬一处铀矿点发现了发生于地表的天然连锁核反应。这一核反应已经持续了数十万年，并且在这一漫长的核反应过程中消耗了数吨重的铀。
8、地球磁场与地磁逆转
地核内的铁镍物质产生巨大的磁场，可以保护地球免受外来射线的干扰。
亨顿博士研究了如果行星内部存在核反应那么可能产生的效应。他认为，在地球刚形成的时候，大量放射性元素如铀，钍，在重力作用下集中在地核，并且具有与其化学状态无关的自足的核裂变能力。地球内部的天然核反应活动产生了电流，并且由此形成了地球磁场。这种核反应是间歇性的，可能导致地球磁场在短期内迅速变化，甚至发生地磁逆转。而传统的地球物理学理论则认为，由于地球内核热能释放而导致液态外核与地幔底部出现热对流，从而形成地磁场。但是，这一“核幔热对流”理论无法解释地球曾经发生的地磁逆转。
9、地核不在地球中心
做一个简单的模拟试验：在装满水的瓶子里放入一个石子，瓶子系上一根绳子绕手旋转。结果：在瓶子内的石子始终偏向引力的另一侧。
同样道理，地球在太阳引力作用下绕太阳旋转，地核将偏向太阳引力的向反方向，而不在地球中心。
10、地核转动比核外圈层快
由于地球的地核不在地球中心，始终偏向太阳引力的相反方向，因而导致地核和地核以外圈层的转动角速度不一样：地核快，核外圈层慢。
角速度ω=V/R；式中V为线速度，R为半径。
如下图（来源：网络）所示，在A点内球半径小于A点到地球中心的距离，因而依据角速度公式，地核角速度大于核外圈层的角速度。
11、地球内部运动
地核内部特殊而复杂的情况，即使在实验室里也很难模拟。所以，人们对它了解得还很少。但是，有一点科学家是深信不疑的，那就是地球内部是一个极不平静的世界，地球内部的各种物质始终处于不停息的运动之中。
有的科学家认为，地球内部各圈层的物质不仅有水平方向的局部流动；而且还有上下之间的对流运动，只不过这种对流运动的速度很小，每年仅仅移动1厘米左右。
有的科学家还推测，地核内部的物质可能因受到太阳和月亮的引力而发生有节奏的震动。
12、地核运动与地球磁场
我们知道，地核分为外核、过渡层和内核。地球存在自转，而地核也存在自转，两者之间有一种差速转动的关系。也就是说，经过100万年，地核将比赤道多转了1度。然而，随着时间的推移，由于处于外核上的液态物质凝结于其表面，使得地核自转速度增加得非常缓慢。不过，在这个过程中，内核东西半球在转速上的差异性对地核自转的影响是如何进行关联的，还需要进一步证实。
剑桥大学地球科学系博士生LaurenWaszek在有关研究报告中解释说：地核“较快的自转速率与对内核半球的监测数据不符。因为，没有足够的时间将这种转速上的差异作用于内核结构。这个问题就像一个物体不可能有两种属性一样。然而，我们却从内核半球结构的演化中得出了地核的转速，因此这也是第一次将内核半球结构同地核自转的问题联系起来。”
为了进行本次研究，科学家将地震体波穿透5200千米深的内核，通过比较震波传播总的用时与从内核表面反射回来所消耗的时间，根据这个时间差将揭示出内核上方90千米处的转速。他们将这个数据与内核东西半球转速的差异相关联。他们首先监测到内核东西半球存在转速上的差异；并且通过对内核东西两个半球分界线的研究发现，它们都在向东移动。由于内核随着时间推移向外扩张，因而其外层结构就比其内部更深处变得年轻；而内核东西两个半球分界线的差动导致了内核的自转。所以，只要获得了内核东西两个半球分界线的差动和地核扩张的参数，就能算出地核的自转速率。
虽然地核位于5200千米深的地下，但是地核依然能对地表产生影响。特别是随着内核向外扩张，在凝固过程中释放的热量又促进了外核中液态物质的对流。这种外核中液态物质的对流就产生了地球的磁场。如果没有地球磁场，那么太阳辐射将长驱直入，地球生命也就不可能存在了。
上述研究报告是第一次发现内核自转速率是如此的缓慢，同时也提供了一个非常有价值的研究方向：是否可以建立一种模型来模拟外核液态物质对流，使我们对地球磁场的演化有一个更为深入的了解。
13、地核可能蕴藏丰富黄金
据俄罗斯《纽带》2006年6月报道，澳大利亚科学家伯纳德·福特撰文指出，在地核中储存有非常丰富的黄金。根据他提供的研究数据，地核中黄金的总储量足以在地球表面包裹一层0.5米厚的黄金外壳。伯纳德·福特是在对一块与地球同时形成的陨石进行分析后得出这一结论的。
2020年1月21日编写于重庆
2021年12月27日修改于重庆
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