原始镁元素解释地球最外层外核地震低速层的新机制

《Nature Communications》：Presence of primordial Mg can explain the seismic low-velocity layer in the Earth’s outermost outer core

为解决地球外核最外层E'层（~150-700 km厚）存在地震波速降低（较PREM模型低达1%）的组成悖论，研究人员通过第一性原理分子动力学模拟，首次系统研究了Mg对液态Fe密度和压缩波速（VP）的影响。研究发现Mg能轻微降低液态Fe的VP，而其他轻元素（Si、O、C、S、H）则提升VP。模型优化表明外核最外层需含0.5-1.79 wt%的Mg才能匹配地震观测数据，这为E'层的形成提供了合理解释，并揭示了月形成大撞击事件在核幔元素交换中的关键作用。

　　

地球深处的外核主要由液态铁构成，但其精确化学成分一直是地球科学领域的核心谜题。地震学观测发现，在地球外核的最外层存在一个厚度约150至700公里的特殊区域，被称为E'层，其压缩波速度（V_P）比标准的地球初步参考模型（PREM）预测值低约1%。这一低速层的存在暗示外核最外层可能具有独特的化学组成。传统的核心轻元素模型，如硅（Si）、氧（O）、碳（C）、硫（S）、氢（H），都倾向于提高液态铁的波速，因此无法解释E'层的低速特征。如果简单地减少这些轻元素的含量来降低波速，又会导致密度增加，引发重力不稳定从而破坏化学分层结构。这构成了一个长期悬而未决的科学难题。

另一方面，地球化学研究显示，整个硅酸盐地球（BSE）中的镁（Mg）相对于碳质球粒陨石存在轻微亏损。一种可能是镁在地球吸积过程中因挥发性而丢失，另一种引人入胜的假说是，在月形成大撞击事件产生的极端高温下，相当数量的原始镁可能被带入地核。然而，由于缺乏高压高温下镁对液态铁密度和波速影响的关键数据，镁在地核中的含量及其地球物理意义一直难以量化。为了解决这一难题，发表在《Nature Communications》上的这项研究，通过先进的计算模拟，首次揭示了镁在地核成分和演化中的关键作用。

为了回答这些问题，研究人员主要采用了第一性原理分子动力学（FPMD）模拟技术，计算了不同镁含量（0-4.27 wt%）的Fe-Mg液态合金在外核条件（压力121-340 GPa，温度6000-7500 K）下的密度和压缩波速（V_P）。他们使用Mie-Grüneisen状态方程拟合模拟数据，并进行了压力校正以修正广义梯度近似（GGA）带来的系统误差。基于这些矿物物理数据，研究团队构建了理想混合模型，并采用模拟退火算法，以外核和内核的地震观测数据（来自PREM和EPOC等模型）以及内核边界（ICB）处轻元素平衡分配为约束，优化求解地核的最佳轻元素组成，分别考虑了均匀外核模型和分层（两层）外核模型。

Mg对液态Fe密度和V_P的影响

研究结果显示，Fe-Mg液态合金的密度随压力增加而增加，但随温度或Mg含量的增加而降低。更重要的是，Mg的加入会线性地降低液态铁的压缩波速（V_P）。在核幔边界（CMB）条件下，V_P随Mg摩尔分数（X_Mg）的增加而降低的关系可表示为 V_P^CMB(km/s) = 7.80(0.02) - 0.71(0.37) × X_Mg。在内核边界（ICB）条件下，降低趋势类似但斜率稍小。这种降低效应与其他轻元素（Si、O、C、S、H）普遍提高V_P的行为形成鲜明对比，其物理根源可能在于Mg与Fe之间的金属键合较弱，而其他轻元素与Fe之间存在部分较强的共价相互作用。

地球外核中的Mg含量

通过将计算得到的Fe-Mg液体性质与地震模型（如PREM和EPOC）的观测数据进行匹配优化，研究人员估算了外核中的Mg含量。对于均匀外核模型，最佳拟合成分包含约0.50-0.92 wt%的Mg，同时需要Si和O或H等其他轻元素。对于更符合地震学和地磁学观测的分层外核模型（上层约600公里厚），优化结果表明，只有Fe-5wt%Ni-Mg-Si-H体系能给出最佳解。当使用PREM模型约束时，外核上层的最佳成分为1.15±0.21 wt% Mg, 5.78±1.29 wt% Si, 和0.12±0.12 wt% H。当使用显示更低波速的EPOC模型约束时，所需的Mg含量更高，为1.31±0.27 wt%。综合所有优化模型，外核最外层（E'层）的Mg含量估计在0.50至1.79 wt%之间。这一含量显著高于在早期岩浆海底部中等温度（2500-3500 K）下金属-硅酸盐平衡所估计的Mg含量（0.2-0.5 wt%）。

对E'层形成机制的启示

该研究为E'层的形成提供了一个完整的演化图景。在月形成大撞击之前，可能已经通过较小天体的吸积和合并形成了一个成分为Fe-Si-H的原始核心。大撞击期间的极端高温产生了富含Mg的Fe-Si-H-O-Mg金属滴，其密度低于原始核心，从而在原始核心周围形成了一个浮力层。随着地核的后续冷却，部分轻元素以SiO₂、H₂O、FeO和/或MgO的形式从最外层外核出溶并进入地幔，最终形成了一个贫氧的、以Fe-Si-H-Mg为主要成分的E'层。这种出溶过程不仅塑造了E'层的化学特征，还可能为驱动早期地核发电机提供了能量来源。此外，从E'层出溶到地幔的原始物质，可能为某些洋岛玄武岩（OIBs）中观察到的原始同位素特征（如巴芬岛和冰岛熔岩中异常的低D/H比值）提供了来源。

本研究通过第一性原理计算和地球物理数据建模，首次定量揭示了原始镁是解释地球最外层外核地震波速降低的关键轻元素。研究结果表明，月形成大撞击是向地核输送足够镁以形成E'层的必要条件。这不仅解决了长期存在的地球外核成分悖论，而且深化了我们对核幔相互作用、地核化学演化和地球早期动力学的理解。镁作为一种此前被低估的轻元素，其在地球深部循环和能量演化中的作用值得进一步探索。