地球外核位于地下2890 km –5150 km深处，主要由铁和少量轻元素形成的液态合金组成，其对流过程为地磁场发电机提供了能量来源。地球液态外核中轻元素的具体种类和含量多年以来一直是地核研究的前沿科学问题。地震学观测显示，外核顶部存在一个厚度约150-700 km的异常低速层（称为E′层），其纵波波速比标准地球参考模型（PREM）低约1%。然而，已有研究表明，传统地核候选轻元素（如硅、氧、碳、硫和氢）溶于液态铁中均会造成铁合金熔体密度的降低和波速的升高。因此，如果低轻元素含量是导致E′层具有低速特征的原因，就意味着E′层应具有较高的密度，从而引发重力不稳定性，使得该层结构难以长期维持。这为解释E′层的成因机制带来了困难。

景志成课题组长期致力于地核和行星核的物理性质和化学成分研究。课题组在前期研究中（Liu & Jing, 2024, Communications Earth & Environment, 5: 282）通过考察内外核化学平衡，并结合地震观测约束对内外核成分进行联合反演，发现以硅和氢作为外核轻元素主体可以很好地解释内外核大部分深度区间的密度和波速，但该研究也发现以铁-硅-氢液态合金为基础的外核成分无法解释外核最外层的低速特征。

在此项研究中，景志成团队提出镁作为外核轻元素可能是解释E′层低速特征的关键。前人研究发现，导致月球形成的火星大小的撞击体（被称为“忒伊亚”）与原始地球相撞时所引发的极端高温可以促使大量镁和氧溶入地核。随着地核逐渐冷却，镁和氧在金属熔体中的溶解度降低，开始以氧化镁的形式不断出溶，并可能在地球内核结晶之前为早期地磁场的产生提供动力来源。不同模型的估算表明现今地核中仍然可能残留一定量的镁，但地核中具体含有多少镁，镁如何影响外核密度和波速等性质尚缺少相关研究。

基于上述背景，研究团队采用第一性原理分子动力学方法对极端高温高压条件下液态铁-镁合金体系进行模拟，系统考察掺入镁元素对液态铁合金密度及纵波速度的影响。模拟结果显示，与硅、氧、碳、硫和氢这些传统轻元素不同，镁的加入不仅能够降低液态铁的密度，还会同时导致其纵波速度出现轻微下降（图1）。这种独特的“降密–降速”耦合效应，使镁成为解释E′层低速异常的理想候选成分。

图1.在核幔边界（a）和内外核边界（b）条件下镁含量对液态铁密度（ρ）和纵波速度（V_P）的影响

结合铁-镁体系模拟结果与最新地震速度模型的约束，这项研究发现，在地球外核最外层，如果溶解约0.5–1.79 wt%的镁（图2），便可同时解释观测到的E′层密度和低波速特征，从而可以形成一个稳定的化学分层。同时，前人关于地球早期核幔分异过程的研究表明，形成镁含量超过0.5 wt%的液态外核需要显著高于3500 K的极端高温，而这样的高温仅可能在导致月球形成的大碰撞过程中产生。因此，这项研究推测在月球形成大碰撞过程中，大量富镁物质在极端高温下被注入早期外核顶部，并在后续的漫长冷却过程中逐步演化，最终形成了如今通过地震波所探测到的E′层。与此同时，该过程也为解释地球化学观测发现的硅酸盐地球中镁/铝和镁/钙比值相较于CI碳质球粒陨石呈现亏损这一现象提供了新的镁的深部储库。

图2.采用不同地震和外核结构模型计算得到的外核顶部的镁含量

景志成课题组原高级研究学者刘涛为论文第一作者，景志成副教授为论文唯一通讯作者，南科大为论文唯一单位。该研究得到了国家重点研发计划项目、广东省自然科学基金项目和南科大高水平项目的共同资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-026-68572-4