固态内核是地球的最内部圈层，内核在结晶固化过程中向外核释放大量的热能和轻元素，驱动铁镍合金的液态外核强对流，产生并维持着地球磁场。内核的结晶固化是在内外核边界（ICB）处发生的，剧烈的成分对流和ICB上热交换的变化可能控制晶体生长过程。内外核边界的物性结构及形态特征，是理解内核生长机制、热化学演化及内外核相互作用等动力学过程的关键，对于地球内部运行机制与宜居性研究具有重要意义。

　　　　内外核边界是地球深处的相变面，之前学者们认为外核的温度横向变化比较小，ICB被认为是平缓尖锐的界面。然而，冶金学中研究表明液态金属冷凝结晶过程中，由于固液界面的形态不稳定性通常会导致糊状区域结构的形成。因而，上世纪80年代起，学者们推断ICB处可能存在模糊层，并推测其热动力学厚度可能是数百公里，也可能只有数百米。最近矿物物理学家利用持续晶胚法和分子动力学模拟研究了内核的结晶过程，发现亚稳体心立方(bcc)铁在内核条件下的成核速率远高于hcp铁，基于此提出了两步成核假说，即内核结晶过程中可能先形成亚稳态bcc铁，之后再逐渐转变为稳态的hcp结构的铁晶体，这可能会造成ICB物性结构的横向变化。地球内外核边界位于5100多千米的深处，难以直接观测或采样，其形态特征、物理性质及结晶成核机制研究是一个复杂且具有挑战性的领域。地震波可以穿透全球，PKiKP、PKIKP、PKIIKP及PKP-Cdiff等观测震相携带了内外核边界结构的丰富信息。几十年来，随着全球观测数据的积累及计算能力的提升，近年来研究者基于高频地震波的幅度或者波形对ICB小尺度进行了研究，提出ICB可能不是一个平坦尖锐的简单界面，而存在局部分层、小尺度地形起伏或固体斑块堆积等复杂性结构。但之前的研究对ICB采样的地震波观测比较少，目前对ICB的精细结构的认识依然比较有限，妨碍了对内外核之间热化学、地球动力学相互作用及内核结晶机制的深入理解。

　　

　　研究区内外核边界（ICB）结构模型与示意图

　　近日，精密测量院学者与国内外同行开展合作，基于地震台阵技术对高频前临界反射PKiKP波形数据集进行了细致分析，通过全波形反演构建了研究区ICB精细结构模型，发现中亚、西伯利亚、及东北亚部分区域的ICB并非简单平滑界面，而存在2-7km厚的低速分层结构，该低速层可能是固体内核结晶过程中形成的糊状层或者bcc与hcp结构的铁晶体的局部共存，该成果为内核结晶机制研究提供了关键信息。

　　相关研究成果以“Small-scale layered structures at the inner core boundary”为题发表在学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）上，精密测量院为论文的第一完成单位。精密测量院副研究员张宝龙为第一作者，研究员倪四道为通讯作者。

　　该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

　　全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42177-7