地震之谜揭晓：科学家在地球中心发现一种新的物质状态

　　在我们脚下约5150公里深处，存在着地球上最神秘的区域：内核。长期以来，地球物理学教科书将这颗大小与冥王星相当的球体描绘成一个由铁和镍组成的固体金属球，在极端的压力和温度下保持着一种静止的庄严。

　　然而，随着地震学观测数据的积累，这一经典图像开始出现裂痕。为何一个理论上的“固体”在地震波探测中却表现出令人困惑的“柔软”？为何它的性质在某些测量维度上更接近黄油而非钢铁？

　　2025年12月，一项发表于权威期刊《国家科学评论》（National Science Review）的突破性研究为这些困扰科学界数十年的谜题提供了令人信服的答案。由中国科学家领导的国际研究团队通过极高难度的实验与模拟发现，地球内核并非单纯的固体，而是处于一种被称为“超离子态”（superionic state）的奇异物质状态。这一发现不仅颠覆了我们对行星内部结构的认知，更为理解地球磁场的起源和演化提供了全新的物理模型。

　　悖论：坚硬的铁与消失的剪切波

　　要理解这项发现的重要性，首先必须回顾困扰地球物理学界已久的“内核悖论”。根据标准地球模型，地球内核主要由铁组成，并在超过330万个大气压的压力下凝固成固体。然而，当科学家通过分析穿越地心的地震波来“透视”内核时，奇怪的现象发生了。

　　地球内核可能并非传统意义上的固体，而是一种超离子物质，其中轻元素像液体一样在刚性铁晶格中流动。最新实验表明，这种不寻常的状态显著软化了地核，这与困扰科学家数十年的地震线索相吻合。图片来源：Shutterstock

　　地震波主要分为纵波（P波）和横波（S波）。在固体中，这两种波都能传播；而在液体中，横波通常无法通过或会被极度衰减。多年来的观测数据显示，穿越地球内核的横波速度（剪切速度）显著低于纯铁在同等压力下的理论预测值。此外，内核的泊松比（Poisson’s ratio）——一个衡量材料受压变形特性的指标——异常之高，表现出类似流体或极软物质的特征。

　　“这就好比你敲击一块钢铁，传回来的声音却像是在敲击一块硬质橡胶，”一位不愿透露姓名的地球物理学家形容道，“这是一个存在了数十年的矛盾：它必须是固体才能支撑地球的结构，但它表现得又太像流体了。”

　　此前，科学界曾提出多种假设，包括内核可能含有部分熔融的液体，或者铁晶体结构存在特殊的缺陷。但这些假说都难以完美解释所有的观测数据。直到四川大学张友军教授、黄玉谦博士与中国科学院地球化学研究所何宇教授领导的团队，将目光投向了一种特殊的物质状态——超离子态。

　　超离子态：固体骨架中的液态舞蹈

　　超离子态并非新概念，但在行星科学中的应用却是革命性的。简单来说，这是一种介于固态和液态之间的中间状态。在这种状态下，物质的一部分原子被锁定在刚性的晶格中，维持着固体的形态；而另一部分原子则获得了惊人的自由度，像液体一样在晶格间隙中自由流动。

　　研究团队聚焦于铁与轻元素的合金，特别是铁碳合金（Fe-C）。地核中除了铁和镍，还必定含有一定量的轻元素（如碳、氧、硅），以解释地核密度略低于纯铁的现象。研究人员利用先进的动态冲击压缩平台——一种能将微小样品加速至极高速度的“超级气枪”——将铁碳合金样品加速到每秒7公里，瞬间产生高达140吉帕斯卡（GPa）的压力和接近2600开尔文的高温。这种极端环境完美模拟了地球内核的严酷条件。

　　铁原子形成刚性的六方密堆积（hcp）结构，其中一部分原子沿[100]和[010]方向进行集体运动。在这种hcp铁晶格中，间隙轻元素以类似液体的方式自由扩散，而替代型轻元素则被限制在各自的替代晶格位置上。因此，地球内核呈现出固态和液态的混合状态。图片来源：Huang et al.

　　实验结果令人震惊。结合高精度的原位声速测量与大规模分子动力学模拟，科学家们观察到了铁碳合金发生相变的清晰证据。在地球内核的压力下，铁原子依然乖乖地排列成紧密的六方密堆积（hcp）结构，构成了坚硬的“骨架”。然而，碳原子却表现出了截然不同的行为。

　　“碳原子在这些条件下变得异常活跃，”张友军教授解释道，“它们不再被固定在某个位置，而是像液体分子一样，在铁原子的晶格间隙中快速穿梭扩散。这种现象如果用宏观世界来比喻，就像是一群孩子（碳原子）在一个整齐的方阵队伍（铁原子）中来回奔跑穿插。”

　　正是这种“固液共存”的微观结构，导致了宏观物理性质的剧变。流动的碳原子显著削弱了铁晶格抵抗剪切变形的能力。这就解释了为何地震波通过内核时会减速——刚性的铁骨架虽然维持了物质的整体形态，但内部流动的碳原子大大降低了其剪切模量，使其表现出“软化”的特征。

　　行星引擎的新燃料

　　这项发现的意义远不止于解释地震波的异常。它为理解地球最关键的保护盾——磁场，提供了新的能量视角。

　　地球磁场是由外核（液态铁）的对流运动产生的，这被称为“地球发电机”。传统理论认为，驱动这种对流的主要能量来自热量的释放和轻元素的结晶分异。然而，如果内核处于超离子态，那么轻元素（如碳）在内核中的扩散行为本身就蕴含着巨大的能量。

　　黄玉谦博士指出：“地核内部的原子扩散代表了一种此前被严重忽视的地球发电机能量来源。”在超离子状态下，碳原子的流体状运动不仅仅是被动的物理现象，它们可能积极参与了地核内部的对流循环。这种微观层面的物质传输，可能对维持地球磁场的强度和稳定性起到了至关重要的作用。

　　此外，超离子模型还能解释地核的“各向异性”——即地震波沿南北极方向传播速度快于赤道方向的现象。在流动的轻元素影响下，铁晶体的排列可能呈现出特定的织构，从而导致了这种方向性的差异。这表明，地球内核并非死寂沉沉，而是一个充满了动态变化和复杂相互作用的活跃系统。

　　重塑行星演化观

　　这项研究不仅终结了关于轻元素在极端压力下行为的长期争论，也标志着人类对行星内部认知的范式转移。过去，研究主要集中在化合物或替代型合金上，即轻元素取代铁原子的位置。而这项新研究强调了“间隙固溶体”的关键作用——轻元素挤在铁原子之间，并最终流动起来。

　　从更广阔的宇宙视角来看，这一发现对系外行星的探索同样具有启示意义。如果我们所在的地球内核具有这种超离子特性，那么在宇宙中普遍存在的“超级地球”（Super-Earths）以及其他岩质行星的核心，很可能也处于类似甚至更极端的状态。

　　“我们正在从静态、刚性的内核模型转向动态模型，”张友军教授总结道。这一转变意味着，当科学家建立其他行星的热演化和磁场模型时，必须考虑到这种隐藏的物质状态。超离子态可能不是特例，而是行星演化到特定阶段的普遍产物。

　　随着技术的进步，人类虽然无法亲自深入地心，但通过实验室里的极端物理实验和超级计算机的模拟，我们正在一点点拼凑出脚下深处的真实图景。斯旺西大学的这项研究成果告诉我们，地球之心比我们想象的要柔软，也要活跃得多。它不再是一个冰冷的金属坟墓，而是一个充满了原子舞蹈的、充满活力的能量核心，正是这种微观层面的混乱与秩序共存，支撑着地表之上的生命磁盾。

　　这项研究得到了中国国家自然科学基金、四川省科技计划以及中国科学院青年跨学科团队的资助，不仅展示了中国在地球深部物理学领域的领先地位，也为全球地球科学界提供了一块拼图，填补了从原子尺度到行星尺度认知的关键空白。