来自地球外核液态金属的二氧化硅的插图。 （丹·希姆/亚利桑那州立大学）

来自地球表面的水可以深入地球，新的研究解释了它如何改变金属液体核心的最外层区域。

这一发现可以解释地球内部存在一层薄薄的物质，这几十年来一直让地质学家感到困惑。

地壳由相互研磨和滑动的构造板块组成。数十亿年来，这些俯冲带将水输送到下地幔。

当这些水到达地表以下约 2,900 公里（1,800 英里）的核幔边界时，就会引发强大的化学相互作用。来自韩国、美国和德国的一个团队表明，这会产生富含氢的顶部核心层，并将二氧化硅输送到下地幔。

​亚利桑那州立大学的材料科学家 Dan Shim表示：“多年来，人们一直认为地核和地幔之间的物质交换很小。”

“然而，我们最近的高压实验揭示了一个不同的故事。我们发现，当水到达核心-地幔边界时，它与核心中的硅发生反应，形成二氧化硅。”

地球内部揭示俯冲水的插图。（延世大学）

外核的铁和镍混合物在产生地球磁场方面发挥着重要作用，从根本上保护地球上的生命免受太阳风和辐射的影响。因此，了解地球内部如何运作以及如何随时间演变非常重要。

地球的核心-地幔边界从硅酸盐到金属的变化相当剧烈，而且人们对化学交换知之甚少。

几十年前，研究人员通过地球粘稠的内部记录地震波，记录了一个厚度仅超过数百公里的薄层，但直到现在，没有人知道这个提议的“E prime”层来自哪里。

研究小组写道：“我们认为，地核和地幔之间长达数十亿年的深层水输送之间的化学交换可能促成了假定的 E Prime 层的形成。”

地震学家绘制了一些不寻常的特征，表明这种变化的液态金属层的密度会降低，地震速度也会变慢。这些密度差异被认为涉及不同浓度的轻元素，例如氢或硅。

但单个轻元素浓度的增加会导致速度上升而密度下降，使得地震观测与E prime层的动态稳定性难以协调一致。

增加一种轻元素的浓度同时降低另一种轻元素的浓度已被提出作为一种可能的解释。然而，科学家们并不知道这样的交换过程。

研究小组使用激光加热的金刚石砧单元来模拟核幔边界的压力-温度条件。

他们表明，潜入地核的水可以与那里的物质发生化学反应，将外核变成富含氢的薄膜，并分散上升并加入地幔的二氧化硅晶体。

由于俯冲水引发化学反应，二氧化硅晶体从地球外核的液态金属中析出。（丹·希姆/亚利桑那州立大学）

在核心顶部形成的富氢、贫硅材料层的密度和速度较低，与地震波观测相匹配。

改变的核心膜反过来可能会对深水循环产生重大影响，研究小组表示，他们的结果表明全球水循环比我们想象的更加复杂。

希姆说：“这一发现，加上我们之前对水与铁液中的碳在极端压力下反应形成钻石的观察，表明了一种更加动态的核幔相互作用，表明存在大量的物质交换。”