地核的形成是地球历史上最惊心动魄的重大事件之一，为地球演化和内部运动奠定了初始条件。地球的内核位于地球的最中心，其半径约为1216 km，内核处于极端的高温高压环境下，其压强为330~364 GPa，温度约为5000～6000 K。地球内核主要由铁以及少量的镍和其他轻元素构成。
但是，迄今人类能达到地下的最大深度不超过13km，相对于地球的半径6371km来说，还很微不足道，所以目前我们对大多数地球深部结构的认识还是通过间接的地球物理探测或地球化学推论获得的。
而地核的研究，目前基本无法直接取得任何地核的样本，所有的研究只能通过地震学观测密度和波速的变化、地球动力学模拟地核的演化过程、地球化学预测物质成分分布等手段来实现，这些观察和实验数据逐步拉开了地核的神秘面纱。
图2 通过地震波提取地核结构的信息（参考文献1）
地核的“内心”很复杂
地球内部大多数结构的研究始于地震学观测，地核结构的研究也不例外。
1913年Gutenberg（古登堡）根据地震波速度随深度增加到一定程度后，纵波减速、横波完全消失的现象（这是地震波经过液态物质才有的现象，也因此推断地球存在液态的核心），准确地将核幔边界的深度约束在2900 km，这与现今常用的PREM地球模型预测的2890 km仅差10km。
1936年Lehman（莱曼）在P波的影区发现了当时认为本不应该出现的地震波震相（地震图上显示的性质不同或传播路径不同的地震波组叫震相），从而提出“地核里面还有一个固态内核”的重大发现，从此地核模型就变成了液态外核和固体内核的双层模型。
图3 莱曼发现穿过内核的震相（参考文献2）
新的一系列研究表明不仅地核的结构复杂，地球内核的结构也十分复杂。例如，内核地震波的速度和衰减都呈现各向异性，且各种结构(速度、衰减和各向异性)均存在东西半球的差异。此外，内核表面还存在糊状层（固液共存的状态），以及地核内部还可能存在内核最内核。
这些新的研究也是由地震波研究发现的。我们利用穿过地球内核的PKIKP波（由震源发出，依次穿过地幔、外核、内核，再穿过外核、地幔到达测量点的纵波）及与其有相似路径的其他震相对比分析，可获得内部的精细结构变化。
图4 研究地球内核震相的射线路径（参考文献3）
最近，澳大利亚国立大学地球科学研究院的研究人员基于全球地震台网的观测，梳理了在地球内核传播的地震波的到时和能量的变化，发现了在地球内核来回传播了5次的PKIKP震相，通过对比和分析发现地球内核深部存在一个半径大约为650千米，P波速度下降5%的内核最内核（innermost inner core，IMIC），它与内核外层分离，其慢传播速度的方向与地球旋转轴之间的夹角大约为50°。
该项研究成果发表在《自然-通讯》上，标题是《穿过地球中心五次的反射波和地球明显各向异性的内核最内核》（Up-to-fivefold reverberating waves through the Earth's center and distinctly anisotropic innermost inner core）。
图5 穿过内核不同次数的PKIKP路径示意（参考文献4） PKIKP分别是穿过内核1-4次的PKIKP震相。
其实，2002年Ishii和 Dziewoński利用PKIKP 走时便已揭示了在内核的最深处300 km内可能存在较强各向异性特征的IMIC，其慢传播速度的方向与地球旋转轴之间的夹角在45°左右，其快传播方向近平行于赤道。但目前对IMIC是否存在依然有较大争议，也包括对其大小的认识、各向异性特征的约束等都存在不确定性。最新的研究成果无疑是对IMIC认识的更新。
研究人员认为，内核最内核的研究或许可以反映出地球内核的生长过程和演化历史，但这仍需进一步研究内核最内核和内核外壳之间过渡的特征，才能更好地理解地球的内核的精细结构和形成演化历史。
图6 实际地震观测中发现的PKIKP多次反射波（参考文献4）PKIKP5是穿过地球内核5次的PKIKP震相。
此外，东西半球的差异也是内核最重要的结构特征之一。2001年Niu和Wen基于PKiKP-PKIKP的走时残差，发现了穿过内核东半球的走时比穿过内核西半球走时早0.8 s左右，经过研究发现东西半球存在速度的差异。随后也陆续证明了内核的地震波衰减、内核表层的各向同性层厚度也存在东西半球的差异。但是形成东西半球差异的物理机制还不明确，有的学者认为是内核本身存在自西向东的横向移动所导致，也有学者认为是核幔边界的不均匀热对流使得内核边界不同区域有不同的凝固速度所导致。
图7 地球内核东西半球差异的两类物理机制示意图（参考文献3）
研究地球内核，有什么用？
研究地球内核，有哪些重要性和必要性呢？
首先，内核的研究有助于我们了解地核的形成历史，对成核过程的了解也直接影响到我们对地核成分、核幔边界的性质，以及与上下地幔之间关系的认识。其次，地核物理和化学性质的探索，有助于我们了解地球的形成过程，特别是对于目前主流观点认为起源于地球外核对流的地磁场的形成过程（自激地球发电机理论认为，外核中熔融的液态铁会在内核边界处缓慢结晶，并释放出热量和轻元素，由此产生的浮力作用为外核中液态铁的对流提供了源源不断的驱动力，进而产生了地磁场）。最后，对地核的精细结构和演化过程的研究，可以让我们认识地球乃至行星对演化历史，比如对比不同行星的内部结构，可以推测太阳系或宇宙的演化过程。
图8 地球内核及其边界结构特征示意图（参考文献3）
科学研究就是这样的蜿蜒而曲折，虽然我们对地核更细致的认识还有很漫长的路要走，但是相信经过科学家的不懈探索，终有一天我们会实现“透明地球”计划，说不定也可以接回来身处地心“落日六号”里的她。