古地磁研究表明，地磁場已經持續運轉了至少35億年，其最早的起源時間甚至可以追溯至42億年前（Tarduno et al., 2015）。地磁場由地核「發電機」產生，通過地球外核中液態鐵的對流驅動。標準模型認為地磁發電機能量源由四部分組成：（1）地核冷卻；（2）內外核邊界的輕元素釋放；（3）放射性元素衰變；（4）地球的進動。但是，第一性原理計算和隨後的高溫高壓實驗表明地核的熱導率比原來估算的高很多（Pozzo et al.，2012；Ohta et al.，2016）。地核具有高熱導率的後果是標準模型中的能量會通過熱傳導的形式耗散掉，從而沒有足夠的能量去驅動對流，導致地磁場的能量嚴重缺失。這一問題被稱為「新的地核悖論」（New Core Paradox；Olson, 2013）。
ORourke and Stevenson (2016) 提出從地核中析出的鎂可以作為標準模型之外的地核發電機能量源。鎂在過去一直被認為是親石元素，不會進入到地核中，但他們提出通過大撞擊能夠將大量的鎂在地球歷史早期擠入地核中。他們認為鎂在地核中的溶解度強烈依賴於溫度，溫度越高，溶解度越大。在這種情況下，鎂可以隨著大撞擊提供的高溫大量進入到初始地核中。之後，隨著地核的逐漸降溫，鎂逐漸析出，為地磁場提供能量。這一假說巧妙地將大撞擊、核幔分異、岩漿洋演化、地磁起源等地球早期重大事件結合了起來。該假說的核心關鍵是鎂的溶解度是否具有強溫度依賴性，以及鎂的析出是否能在35億年前開始為地磁場提供足夠的能量。針對這些關鍵問題，目前仍然有較大的爭議（如Badro et al., 2016；Du et al., 2017）。
中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理重點實驗室碩士生劉為一與導師張毅剛研究員等，通過第一性原理分子動力學的計算，獲得了大量鎂的配分係數數據，並在此基礎上研究地球早期的形成演化歷史。結果顯示鎂的配分係數強烈依賴於溫度(圖1)。根據獲得的鎂的平衡常數與溫度的關係式，結合根據古地磁強度數據建立的地核熱演化模型，他們發現鎂能夠在35億年前開始析出(圖2a)並為地磁場提供足夠的能量(圖2b)。他們進一步模擬了鎂析出產生的磁場隨時間的演化，發現其很好地符合了古地磁強度的長期變化趨勢。該項研究為地球早期地磁場強度變化提出了新的解釋機制，即磁場強度的突然增大然後逐步走低可能代表了鎂析出產生磁場的典型特徵，隨後磁場的再次突然增強可能代表了內核開始形成，地磁場獲得了新的能量源。據此，他們建立了早期地核演化圖景（圖3）。
研究成果發表於國際學術期刊Earth and Planetary Science Letters。研究受中科院先導專項B、國家自然科學基金資助。