超离子态介于固态和液态之间，在超离子态物质中一部分离子如液体一般快速运动，而另一部分离子如“骨架”一般固定在物质结构中。超离子态被认为广泛存在于天王星和海王星等冰巨星内部，从而对其磁场和内部结构产生影响。

地球内部的水以含水矿物的形式存在，2021年研究人员首次报道了下地幔温压下具有黄铁矿结构的含水矿物高压相FeO₂H转变为超离子态，超离子态转变显著提升该矿物的电导率，使其明显高于下地幔中其他主要名义无水矿物，因而该矿物的存在有可能改变下地幔的电性结构，这将为研究下地幔水的分布提供重要的指示作用。

近期，中国科学院地球化学研究所李和平研究员、何宇研究员、孙士川团队与北京高压科学中心的毛和光院士，Duck Young Kim研究员和Bo Gyu Jang博士团队合作，研究发现地球内核并非传统认知的固态，而是由固态铁和流动的轻元素组成的超离子态，该成果在《Nature》发表。

地球内核处于极端的高温高压状态，而基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学方法是模拟地球深部物质状态和性质的重要研究手段，团队利用该方法在地核温压下，对铁-氢，铁-碳和铁-氧合金进行了计算模拟。研究发现了上述合金在温度升高至2500-3000 K时转变成了超离子态，在超离子态合金中，氢、碳和氧离子在铁“骨架”结构的间隙中快速扩散，表现出流体的特征。针对计算模拟中容易获得过热态，即计算模型在熔点之上仍然保持固态，利用固-液共存法对上述合金的熔点进行了约束，最终得到在内核压力下超离子态合金的熔点比纯铁低约为5500-6000 K。通过一系列温度和压力下的计算模拟，获得了固态-超离子态-液态转变相图（图1），证实了超离子态合金在内核温压下的稳定性。 

图1. 地核温压下FeH_0.25、FeC_0.0625、 FeO_0.0625的固态-超离子态-液态相

 通过模拟获得的轻元素离子的位移与时间关系，计算了轻元素离子在超离子态铁合金中的扩散系数（图2），氢、碳和氧离子扩散系数随着温度增加，有趣的是，在内核边界的条件下，其扩散系数在固体和熔体中几乎不变，表明轻元素的扩散性质在内外核并没有显著改变，因而轻元素的对流可能在内核中广泛存在。快速扩散的离子可能导致电导率的变化，然而根据计算发现超离子态铁合金离子电导率相较于电子电导率低了2-3个数量级，因此由超离子态转变导致的电导率变化几乎可以忽略不计。 

图2 地核温压下轻元素离子在超离子态铁合金中的扩散系数

为了与地震学测量数据对比，进一步对超离子态合金的弹性性质和地震波速进行了模拟计算，发现超离子态转变导致合金加速软化，引起地震波速显著降低，其数值能够与地震学的观测结果很好符合（图3）。模拟结果表明，流动的轻元素杂质可以引起铁合金的软化，特别是横波波速的降低解释了内核软化之谜。 

图3. FeH_0.25、FeC_0.0625、 FeO_0.0625的超离子态结构的地震波速与地震学PREM模型进行对比

地震学研究显示，内核结构展现出复杂的异质性和各向异性特征，还存在地震波衰减和结构变化等特性。解答上述未解之谜，是认知内核结构、组成和演化的关键。超离子态内核，更新了我们对内核状态的认知，流体一般运动的轻元素为认识内核对流、各向异性结构与形成、地球内核结构与地磁场之间的关系以及地震波的衰减提供了新的线索（图4）。 

图4. 超离子态轻元素内核对流

该论文在《自然》发表前经历了长达近2年的审稿，最终获得审稿人高度评价：其中一位审稿人认为本研究非常有趣和重要，并重复验证了计算结果；另一位审稿人认为，该计算方法为后人研究建立了新标准。论文预印版已于2020年12月在线发布，引起相关研究领域专家关注，普遍认为该研究对认知地球内核结构、解释地震学观测结果具有重要意义。

论文信息：

He Yu, Sun Shichuan, Kim Duck Young , Jang Bo Gyu , Li Heping & Mao Ho-kwang. Superionic iron alloys and their seismic velocities in Earth’s inner core. Nature 602, 258–262 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04361-x

（何宇 供稿）