通过地震波观测和地球化学我们知道地核主要由铁、镍、以及少量轻元素组成，分为液态外核和固态内核。地核距离地表为2890-6370 千米，所处位置的压力约为135-360 GPa（1 GPa为1万大气压）。地核就像是地球的引擎，通过热传导和对流为地幔和地壳运动源源不断地提供能量。地核在内外核边界的结晶和生长，液态外地核的带电流动和内外核边界结晶释放的潜热更是产生地球磁场的关键因素。活跃的地核是地球产生一个适宜生物居住的基本条件之一。因此，研究铁和铁合金在高温高压下的物理和化学等性质是认识地核状态和演化的基础，也为未来寻找一个适宜人类居住的行星提供参考条件。

   由于我们目前还不能直接从地核获得样品，并且在实验室产生类似地核的极端高温高压条件也非常具有挑战性，因此我们对地核形成和演化的了解依然非常有限且常常存在争议。比如，先前不同的研究给出了铁在地核压力下的熔化温度相差2000 K以上，并且在地核条件下铁的热导率相差达到5-6倍，如此大的差异使我们了解地核的演化和地球磁场的产生受到了阻碍（比如地球内核悖论，P. Olson, Science, 342, 2013）。近日，我所张友君副研究员与北京高压科学研究中心（侯明强博士、刘广涛博士、关根利守研究员等）、流体物理研究所（李俊，吴强，高志鹏、周显明等研究员）、美国德克萨斯大学奥斯汀分校（林俊孚教授）、卡内基研究所地球与行星实验室（R. E. Cohen、费英伟等教授）、芝加哥大学（Eran Greenberg博士和Vitali Prakapenka研究员）等国内外相关单位和研究人员合作，利用激光加热金刚石压腔和二级轻气炮等高压实验技术和第一性原理理论在实验室模拟地核的极端条件，并在此条件下进一步研究了铁的电热输运以及熔化温度等物理性质。实验中直接获得了铁在250万大气压以上的熔化温度（~5400 K）以及近200万大气压和4000 K条件下铁的电热导率（图1）。实验结果与第一性原理理论计算吻合，揭示了高温高压极端条件下原子和电子间相互作用对输运性质的影响。

   新的实验结果限定了铁在地球内外核边界压力下的熔化温度约为6000 K（近似太阳表面温度），与静高压实验和理论结果均取得了一致性，解决了三十年以来对于铁高压熔化温度的争议。结合研究组前期对于铁镍轻元素合金的研究结果提出了地球内外核边界的温度约为5500 K并以此推导出了地核的绝热温度线。另一方面，新的实验和理论研究限定了铁在核幔边界温度和压力下的电阻率和热导率分别约为80 µΩ cm 和100 W/m/K（图1）。本研究是近年来首次在实验和理论上获得了铁在高温高压下电热导率一致性的结果。根据我们最新的研究数据和地球动力学模型进一步确定了地核中的热流量，以及驱动地球磁场产生的能量来源和大小。研究结果表明当今地球磁场的产生是由于外核的热对流和成分对流共同作用的结果；根据热传导模型和熔化线斜率进一步限定了地球内核的形成时间和演化，研究表明地球内核的年龄不超过13亿年。此外，地核中还含有一定量（~5-10%）的镍和轻元素如Si、S和O等，这些元素的存在通常会对铁的物理性质造成一定的影响，铁镍轻元素合金的高温高压性质还需要未来进一步采用动、静高压实验和理论研究。

图 1. 图左为实验和理论获得的铁在地核高温高压条件下的电阻率和热导率，图右上为实验获得的铁和铁合金在高压下的熔化温度以及据此提出的地核绝热温度线（蓝色虚线），图右下为本研究得出的地核到地幔的热流量。

以上研究结果于2020年8月13日和2020年8月16日分别发表在Physical Review Letters（中科院物理与天体物理一区SCI期刊）和Geophysical Research Letters（中科院地球科学一区SCI期刊）。张友君博士为论文第一作者或论文通讯作者（图2）。该研究得到国家自然科学基金和四川大学双一流建设经费支持。

图 2. 铁在地核条件下的熔化和电热导率研究的文章封面

全文链接：

(1) Youjun Zhang#, Mingqiang Hou#, Guangtao Liu, Chengwei Zhang, Vitali B. Prakapenka, Eran Greenberg, Yingwei Fei, R. E. Cohen*, and Jung-Fu Lin*. Reconciliation of experiments and theory on transport property of iron and the geodynamo. Physical Review Letters, 125(7): 078501, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.078501, (2020).

(2) Jun Li, Qiang Wu, Jiabo Li, Tao Xue, Ye Tan, Xianming Zhou, Youjun Zhang* (通讯), Zhengwei Xiong, Zhipeng Gao, and Toshimori Sekine. Shock melting curve of iron: A consensus on the temperature at the Earth's inner core boundary. Geophysical Research Letters, 47(15), e2020GL087758. https://doi.org/10.1029/2020GL087758, (2020)

四川大学地球物理研究室主要研究地球与行星深部的组成以及物理和化学等性质，地球与行星的形成和演化过程，以及静态和冲击高温高压极端条件下的物质科学。该研究室以四川大学高压科学平台为基础，动静高压实验技术结合发展极端条件物理与地球科学的交叉融合应用。欢迎报考和咨询，邮箱：zhangyoujun(at)scu.edu.cn或hizhangyoujun(at)gmail.com (at 换为@)。ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-5340-4170.