原始镁的存在可解释地球最外层外核的地震低速层

为什么地球深处至关重要

在我们脚下深处，超过2800公里处，是地球的液态金属外核——这个翻滚的区域为我们的磁场提供动力，并有助于使行星具备宜居性。地震波显示，外核最顶部在传递声波方面异常缓慢，形成一个神秘的低速层，被称为E′层。本文探讨一种常见元素——镁（在地表岩石中很常见）是否在地球暴力的幼年时期进入地核，现在能解释这一令人费解的隐蔽层。

地球深处的奇怪慢区

地震学家通过跟踪地震波在不同地层中传播时速度的加快或减慢来建立地球内部模型。标准模型，如广泛使用的PREM剖面，将外核描述为富含铁的致密液体，并被少量硅、氧、硫、碳和氢等元素“稀释”。但较新的地震模型显示，在外核上部数百公里处，声波传播速度比预期慢约1%。现有想法试图用化学分层的外核来解释这一点，但常见的“轻”元素通常会增加铁中的声速，而不是降低它。这就产生了矛盾：看起来不可能同时制造出既足够慢以符合地震资料又足够轻以保持稳定分层而不下沉的地层。

在液态铁中测试镁的作用

作者将注意力集中在镁上，这种元素在地幔中丰富，但被认为在地核中稀少。高压实验提示，在地球形成的强烈条件下，尤其是在形成月球的巨大撞击过程中，部分镁可能溶入熔融铁中。然而，直到现在，还没有关于镁在外核极端压强和温度下如何改变液态铁的密度和声速的可靠计算。研究人员使用基于量子的一阶原理分子动力学模拟，模拟了在高达340吉帕压力和高达7500开尔文温度下，不同比例镁掺入的液态铁——这些条件与地球深部相符。

镁如何改变地核性质

模拟显示，随着镁加入液态铁，密度和纵波（类似声波）的速度几乎线性下降。对声速的影响虽适中，但关键是方向与其他轻元素相反，其他轻元素倾向于使波速加快。通过将新的铁-镁数据与之前关于其他轻元素的数据结合，作者构建了必须同时匹配地震密度、地震速度以及对各元素在地核中含量的合理化学限制的外核成分模型。他们测试了均匀混合的外核和具有明显上层的两层结构。在所有成功的模型中，外核中都需要存在镁，典型值在约0.5到1.8重量百分比之间，且特别集中在最外层的数百公里——正是观测到E′层的区域。

宇宙碰撞与富镁壳层

这些发现提出了E′层的一个戏剧性起源故事。在形成月球的碰撞之前，地球可能已经有一个含有一些硅和氢但镁相对较少的液态铁核心。巨大碰撞会使行星部分区域加热到极高温度，从而使额外的镁连同硅和氧溶入随后下沉到现有核心的金属中。由于这种富镁金属相对较轻，它汇聚形成了外核顶部的分层壳。经过数十亿年的冷却，一些成分如二氧化硅、水、氧化铁以及可能的氧化镁可能缓慢结晶或析出回到地幔。剩下的是一个富镁且在氧上略有亏欠的外核上部——正是那种会稍微更轻且使地震波传播更慢的成分，与E′层相符。

这对我们的星球意味着什么

对非专业人士而言，地核似乎遥远，但其成分决定了地球的磁场、热流和长期演化。该研究表明，外核中相对少量的原始镁可以在不违反基本化学和地震约束的情况下解决关于低速E′层的长期谜题。它还帮助解释了为何地球的硅酸盐地幔比某些原始陨石中的镁含量略低，暗示可观的一部分镁被藏在深处的地核中。简言之，作者认为，在形成月球的巨碰撞中递送并重新分布的镁痕迹，留下了外核上的一层薄薄的含镁表皮——虽微妙却足以让地震波在全球范围内探测到。

引用: Liu, T., Jing, Z. Presence of primordial Mg can explain the seismic low-velocity layer in the Earth’s outermost outer core. Nat Commun 17, 1886 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68572-4

关键词: 地核, 镁, 地震波, 巨大碰撞, 外核成分