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• 雖然教科書說明地核主要由鐵所組成，但並無直接證據能證明此說法。根據震波波速與密度的關係（柏奇圖），鐵有可能是構成地核的主要元素，但鉻、釩或其他元素也可能符合。
• 柏奇圖顯示各元素的波速／密度關係會隨原子序規律變化，但此關係在每個元素週期中會重複循環。而鋅、鎘、錫等的異常行為實則是密度週期性變化的常態。
• 由於科學家無法直接觀測地核，對地核組成的理解只得依賴推論與間接數據，但不能把錯誤的推論當證據而做出肯定的結論。

地核是由鐵組成的嗎？這個問題的答案對於絕大多數的人而言是肯定的，畢竟教科書這樣寫。不過，證據又在哪呢？若仔細探討，會發現科學家其實並沒有任何直接證據證明地核主要由鐵（Fe）所組成。美國地球物理學家柏奇（Francis Birch）於 1961 年發表的論文可說是最能證明此論點的文獻。根據此論文的結論，幾乎可以不考慮化學元素在自然界的多寡，該文所提出的證據足以證明地核主要是由鐵組成。而柏奇的證據也成為了 1960 ～ 1980 年代教科書的主要觀點， 但事實可能並非如此。這不僅是地核組成的問題，其實也與地核溫度、熱源和地磁場來源有關。

發現地核的存在和組成

科學家在 1906 年的舊金山大地震後，確認了地球具有地核。依據收集的地震資料分析，英國地震學家歐德漢（Richard Dixon Oldham）推斷地球中心必定有一個半徑約 2550 公里的液態地核。地核半徑後來被德國地震學家古騰堡（Beno Gutenberg）於 1914 年修正為 3470 公里，自此科學界確認地核的存在和大小。後續丹麥地震學家雷曼（Inge Lehmann）又發現了固態的內地核。

但在地震學確認地核的存在和大小之前，19 世紀末的德國文獻其實早已出現了具有地核的地球內部結構圖，且地核主要是由鐵組成。事實上，這個地球內部結構的雛型與現代大眾所認知的地球十分類似，都是一個鐵質的地核被厚厚的石質地幔所包裹。那時的科學家之所以構想出這樣的地球結構，主因是根據觀察和收集到的鐵隕石和石質隕石。

地核組成物的證據是什麼？

國外的教科書裡幾乎都引用了柏奇論文中的圖解和結論，筆者在 1974 年發表的論文中，將此圖稱為「柏奇圖」。美國、英國和澳洲在 1970～1990 年代出版的許多教科書都引用了柏奇圖以說明地核主要由「鐵」組成。在諸多的教科書中，最值得注意的是澳洲地球物理學家史泰希（Frank Donald Stacey）曾於 1969、1977、1992 和 2010年的四版《地球物理學》（Physics of the Earth），此書可說是世界上最為廣泛採用的地球物理學教科書。史泰希在前兩版書中也都引用了柏奇圖以說明地核主要由「鐵」組成。但在第二版書中提醒讀者，要注意劉玲根在 1974 年論文裡提出的不同見解，在第三版和第四版的書裡，史泰希乾脆把柏奇圖取消了。

圖一 | 柏奇圖綜合了柏奇在 1961、1963、1968 年發表的三篇論文資料。圖中呈現了當時測量到的各種化學元素的震波波速與密度關係。其中部分元素，如鈉和鐵因引用不同年分的資料而具有多條的關係。柏奇發現各元素的「波速／密度關係的位置」和「斜率」均會隨元素原子序增大而改變，密度愈大，斜率愈小。而原子序愈大，元素會愈靠近圖的右下角。比較地幔和地核與各元素的相對關係，柏奇推論地核只可能主要由鐵組成。值得一提的是，若只根據此圖，也能推論地核是由鉻或釩所組成。（作者提供）

根據柏奇的論文，圖一中呈現了不同化學元素的震波波速與密度的關係：他發現各元素「波速／密度」關係的位置和斜率，均會隨元素原子序增加而改變，也就是密度會愈大而斜率會愈小。柏奇認為這個關係會隨原子序增大而「維持不變」。

換句話說，原子序更大的元素會更往圖的右下方外移。不過，他也注意到柏奇圖中的鋅（Zn）、鎘（Cd）與錫（Sn）三個元素的關係是反其道而行的。柏奇對該現象的解釋是：這三個元素不具正方晶系。

此後柏奇把地幔和地核的波速／密度關係加到圖上，便能找到地幔和地核分別是由哪些元素組成。由於鐵與地核最為接近，於是柏奇推論地核主要是由鐵組成。而且比起地核，純鐵的密度甚至還大了一些，波速也小了一些，因此柏奇更主張除了鐵之外，地核的組成還必須再加入一些較輕的元素，例如氫（H）、碳（C）、矽（Si）、氧（O）和硫（S）等。上述的主張已是今天地球科學的金科玉律。

柏奇的證據可信嗎？

筆者曾對柏奇的論文感到好奇，並思索為何各個元素波速／密度關係的位置和斜率會隨原子序的增大而往另一個方向外移，以及為什麼鋅、鎘、錫的趨勢與其他元素相反。不具正方晶系是正確的解釋嗎？

筆者利用狀態方程式導出單一物質波速和密度的關係，再考慮元素的密度隨原子序產生週期性改變的事實（圖二）。圖中顯示當原子序增加時，每一週期左側元素的密度會增大，波速／密度的斜率會變小。當元素密度達最高後，例如第二週期的硼（B）、第三週期的鋁（Al）以及第四週期的銅（Cu）等右側元素的密度會遞減，而波速／密度的斜率會增大。所以隨著原子序的增大，柏奇圖中的關係會隨著週期不斷來回重複，並非像柏奇所認為的關係會隨原子序增大而維持不變。

圖二｜單一物質波速和密度關係
常溫常壓下，元素的密度會隨原子序的不同而改變。圖中的虛線為氣體元素，上方橫軸的數字為週期數。在每一週期中，元素的密度會先隨原子序增加而增大，接著再隨原子序增加而遞減，並如此周而復始。（作者提供）

圖三｜其他元素的波速／密度關係
以第二、三、四和五週期元素為例所畫出的各元素的波速／密度關係圖。圖中包含各週期的起始元素如鋰（3）、鈉（11）、鉀（19）、銣（37），密度最大的元素如硼（5）、鋁（13）、銅（29）、銠（45），以及各週期的最後一個固態元素如碳（6）、硫（16）、硒（34）、碘（53）。圖中也加入了柏奇圖中的所有元素。虛線箭頭方向為各週期原子序增大的方向。（作者提供）

然後，當把氣體元素排除後，以第二、第三、第四和第五週期的元素為例，各元素的波速／密度關係如圖三所示。圖中包含了大部分柏奇圖中的元素，並將每一週期的第一個元素如鋰（Li）、鈉（Na）、鉀（K）、銣（Rb），每一週期密度最大的元素如硼、鋁、銅、銠（Rh），以及每一週期最後一個固態元素如碳、硫、硒（Se）、碘（I）都加入圖中。為求簡便，所有元素的波速／密度關係全以直線表示。需注意的是，除了柏奇圖中已有的元素，圖三中其他元素的波速／密度關係全為本文筆者虛構。雖然是虛構，但所有元素的起始密度都正確，而波速／密度關係也是根據理論所推論而出。圖三主要顯現出各週期中，各個元素波速／密度的關係會隨原子序增加而重複來回。而虛線箭頭所指的方向，則是各週期原子序增大的方向。

地核真由「鐵」組成嗎？

也許有人會認為，由於地球具有磁場，便能證明地核是由鐵所組成。該推論是基於地磁場最有可能是由帶電的粒子在地核內移動所產生。但這並不等於就證明了地核是由「鐵」組成，否則，在物理學家觀察到移動的帶電粒子能產生磁場的那一天，不就證明了地核是由「鐵」組成的嗎？因此，目前科學家對地核組成的知識和了解，似乎還是回到了柏奇 1961 年論文發表之前的時代。

事實上，筆者也相信和主張地核主要是由鐵組成的。首先，鐵是自然界最多的金屬，而地球內部的密度分布和地球的平均密度，也需要一個由鐵組成的地核來解釋，更不用說地球磁場，只有液態鐵地核才最有可能解釋地磁場如何產生。不過，這一切並不表示科學家已證明了地核是由「鐵」組成。當然，有許多地球內部的事物，很可能永遠都無法找到直接證據，但不能把錯誤的推論當證據而做出肯定的結論。

筆者與柏奇圖的軼事
1972 年 4 月筆者參加美國地球物理聯盟（American Geophysical Union）在華盛頓召開的學術研討會時，認識了臺大地質系的學長毛乃先先生。在和毛先生交流地球物理學後，赫然發現他是美國哈佛大學（Harvard University）教授柏奇的學生！筆者此後持續與毛先生保持通信，同時也把筆者未發表的「柏奇圖」論文郵寄給毛先生評閱。1973 年初，筆者又請毛先生幫忙，把這篇論文轉請柏奇評閱，毛先生也答應協助幫忙。不久後，筆者收到了柏奇的來信。柏奇透過信中的一句短語「要完全忽略對元素多寡的認知十分困難，而這點很可能在某種程度上影響了我當初的觀點。」便總結了整個研討。

延伸閱讀
1. Birch (1961). Composition of the Earth's Mantle, Geophysical Journal International, F. 295-311.
2. LIU, L-G. (1974). Birch's diagram: Some new observations, Physics of the Earth and Planetary Interiors, 8(1), 56-62.
3. Stacey, F. D. (1977). Physics of the Earth, John Wiley & Sons Inc.