如果有人告訴你，地球的心臟正在慢慢腐爛，你的第一反應(yīng)大概是擔(dān)憂。但地球科學(xué)家的反應(yīng)恰恰相反——他們說(shuō)，正是這個(gè)“腐爛”的過(guò)程，替我們擋住了來(lái)自宇宙的致命威脅。

這件事要從地球最深處說(shuō)起。

地核

地磁場(chǎng)

在地表以下約5100 km的地方，存在一個(gè)直徑約2440 km的固態(tài)鐵球，這就是地球內(nèi)核。包裹著它的，是一層處于液態(tài)的外核，主要成分同樣是鐵和鎳，溫度高達(dá)4000至6000 ℃，壓力超過(guò)百萬(wàn)個(gè)大氣壓。正是外核中液態(tài)鐵的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了地球的磁場(chǎng)——那道將太陽(yáng)風(fēng)和宇宙射線擋在門外的無(wú)形屏障。沒有它，地球大氣層會(huì)被太陽(yáng)風(fēng)逐漸剝蝕，液態(tài)水會(huì)蒸發(fā)殆盡，地表將變成一片死寂的荒原，就像今天的火星一樣。

所以，地球磁場(chǎng)能不能維持，是一個(gè)關(guān)乎所有生命存亡的問(wèn)題。

而驅(qū)動(dòng)外核對(duì)流、維持這臺(tái)“發(fā)電機(jī)”運(yùn)轉(zhuǎn)的能量，究竟從哪里來(lái)？長(zhǎng)期以來(lái)，這是地球科學(xué)中最難回答的問(wèn)題之一。熱量散失可以提供一部分動(dòng)力，但計(jì)算顯示，單靠冷卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。科學(xué)家們意識(shí)到，一定還有別的機(jī)制在補(bǔ)充能量，答案就藏在內(nèi)核和外核的交界面上。

地球內(nèi)核并非一直是固態(tài)的。地球在形成之初，整個(gè)核心都是液態(tài)的。隨著地球逐漸冷卻，鐵開始在中心結(jié)晶，內(nèi)核就這樣從無(wú)到有，一點(diǎn)點(diǎn)“長(zhǎng)大”。這個(gè)過(guò)程至今仍在持續(xù)——內(nèi)核每年大約向外生長(zhǎng)一毫米。當(dāng)液態(tài)鐵在內(nèi)核邊界結(jié)晶時(shí)，它會(huì)優(yōu)先吸收純鐵，將溶解在外核液體中的輕元素——硫、氧、硅等——排擠出去。這些輕元素密度更低，會(huì)像氣泡一樣上浮，驅(qū)動(dòng)外核液體產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流，進(jìn)而維持磁場(chǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

地球磁場(chǎng)需要地核液態(tài)鐵的湍流運(yùn)動(dòng)

用一個(gè)不太精確但直觀的比喻：這有點(diǎn)像海水結(jié)冰的過(guò)程。海冰會(huì)把鹽分排出，導(dǎo)致周圍的海水變咸、密度增大、向下沉降，形成深層洋流的驅(qū)動(dòng)力。地球內(nèi)核結(jié)晶排出輕元素，驅(qū)動(dòng)的則是鐵的“洋流”。

這臺(tái)發(fā)電機(jī)已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)了至少35億年，期間它確實(shí)出現(xiàn)過(guò)一些“故障”——地磁極性曾多次翻轉(zhuǎn)，最近一次發(fā)生在約78萬(wàn)年前——但從未徹底停擺。科學(xué)家一直想知道，是什么讓它如此穩(wěn)定？近年來(lái)，另一個(gè)機(jī)制浮出了水面，而這個(gè)機(jī)制，正是本文的主角：生銹。

從地表向下，有一種物質(zhì)正在以極其緩慢的速度向地球深處遷移——那就是水。準(zhǔn)確地說(shuō)，是以含水礦物形式存在的水，被俯沖的海洋板塊帶著，一路從海底潛入地幔，最終抵達(dá)核幔邊界附近，深度超過(guò)2800 km。

高壓鐵銹FeO2在下地幔中的產(chǎn)生

在這個(gè)深度，壓力已經(jīng)超過(guò)130萬(wàn)個(gè)大氣壓，溫度超過(guò)3000 ℃。在這種極端條件下，水分子中的氫和氧會(huì)發(fā)生分離，氧與鐵發(fā)生反應(yīng)，生成一種具有獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)的鐵氧化物——FeO2，研究者有時(shí)稱之為“高壓鐵銹”。它的結(jié)構(gòu)類似黃鐵礦，但性質(zhì)與常溫常壓下的氧化鐵截然不同。2017年，中國(guó)和美國(guó)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中用激光加熱金剛石壓腔，首次在高溫高壓環(huán)境下成功合成了這種物質(zhì)，證實(shí)了它的存在。

這就是地球“生銹”的過(guò)程。只不過(guò)這層銹，不是生在鐵欄桿的表面，而是生在5000 km深處，以每百萬(wàn)年才能察覺的速度悄悄積累。

但這層銹的存在，又產(chǎn)生了一系列連鎖效應(yīng)。

芯銹（rust）在與外核相遇時(shí)產(chǎn)生，沿地核-地幔邊界遷移到較熱區(qū)域分解為赤鐵礦、水和氧氣

首先，鐵被氧化之后，水分子中多余的氫以氫氣的形式釋放出來(lái)，向上遷移，進(jìn)入地幔，乃至最終逸散至地表。有研究者認(rèn)為，這個(gè)過(guò)程實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十億年的“氧泵”——地球深部的鐵持續(xù)氧化，把氫釋放出去，相當(dāng)于在深部緩慢地積累氧化性物質(zhì)，而這可能在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)間尺度上，對(duì)地球大氣氧含量的演化產(chǎn)生過(guò)微妙的貢獻(xiàn)。

其次，核幔邊界這層被氧化的鐵，密度和彈性性質(zhì)與周圍物質(zhì)有所不同，會(huì)影響地震波穿過(guò)時(shí)的速度和方向。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，地震波在穿越某些核幔邊界區(qū)域時(shí)，速度出現(xiàn)了難以解釋的異常——這些區(qū)域被稱為“超低速帶”，它們呈補(bǔ)丁狀分布在內(nèi)核邊界上方，其成因至今仍有爭(zhēng)議，但鐵氧化物的存在是解釋之一。換言之，地球內(nèi)部的“銹斑”，已經(jīng)在地震數(shù)據(jù)中留下了可被探測(cè)到的痕跡。

更直接的影響，回到了最開始的問(wèn)題：磁場(chǎng)。鐵的氧化和結(jié)晶，都在不斷改變內(nèi)外核邊界的化學(xué)組成和密度分布，進(jìn)而影響外核對(duì)流的模式。2025年，一項(xiàng)基于Swarm衛(wèi)星十一年觀測(cè)數(shù)據(jù)的研究顯示，地磁場(chǎng)并非勻速衰減，而是在不同區(qū)域以截然不同的速率變化著。南大西洋異常區(qū)——地磁場(chǎng)最薄弱的地帶——自2014年以來(lái)，面積已擴(kuò)大了相當(dāng)于半個(gè)歐洲大陸。這些變化的深層驅(qū)動(dòng)，就藏在5000 km之下那些我們永遠(yuǎn)無(wú)法直接觸及的界面上。

南大西洋磁場(chǎng)異常

地球內(nèi)核的“生銹”，在人類的時(shí)間尺度上慢得幾乎無(wú)法感知。但正是這個(gè)以地質(zhì)時(shí)間計(jì)量的緩慢過(guò)程，維系著外核的對(duì)流，維系著磁場(chǎng)的存在，也因此維系著大氣層不被太陽(yáng)風(fēng)剝走，維系著液態(tài)水留在地表，維系著生命得以延續(xù)。

亞利桑那州紀(jì)念碑谷的貓頭鷹巖的紅色源自氧化鐵礦物

腐蝕通常意味著損壞和終結(jié)。但在地球這里，鐵的氧化是一臺(tái)精密機(jī)器里不可缺少的齒輪，少了它，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)以另一種更徹底的方式走向終結(jié)。

所以下一次有人問(wèn)你：地球怎么能正常運(yùn)轉(zhuǎn)如此之久？你可以告訴他，因?yàn)樗€在生銹。

參考文獻(xiàn)

Is Earth’s Core Rusting? - Eos

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來(lái)源：石頭科普工作室

編輯：楊樂(lè)多

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