地幔底部的藍(lán)色部分為后鈣鈦礦

地心深處
● 在高壓下，下地幔中最常見(jiàn)的礦物會(huì)經(jīng)歷結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，使密度增加。
● 存在這種密度更高的礦物，表明地幔中的活動(dòng)比我們過(guò)去認(rèn)為的更加活躍，熱傳遞也更有效率。
● 熱傳遞的加快有助于解釋大陸為何成長(zhǎng)得如此迅速，甚至能夠解釋地球磁場(chǎng)如何演化才為生命登上陸地鋪平了道路。
迄今為止，人類鉆得最深的洞也只有12千米深，位于俄羅斯的科拉半島（Kola Peninsula）。盡管人類發(fā)射的探測(cè)器正在飛往距太陽(yáng) 600億千米的冥王星，但我們至今不能直接探測(cè)地球深處。從實(shí)際效果來(lái)看，位于我們腳下 6 380千米的地心，要比太陽(yáng)系邊緣更加“遙遠(yuǎn)”。事實(shí)上，冥王星在 1930年就被發(fā)現(xiàn)了，而在此之后又過(guò)了 6年，地震數(shù)據(jù)才確立了地球內(nèi)核的存在。
盡管如此，對(duì)于我們居住的這顆行星，地球科學(xué)家已經(jīng)獲得的認(rèn)識(shí)還是多得驚人。我們知道，地球的結(jié)構(gòu)大體上像一顆洋蔥，由地核、地幔和地殼三個(gè)同心層組成。地幔約占整個(gè)地球體積的85%，它的緩慢運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)著地殼中的地質(zhì)劇變。地幔主要由硅、鐵、氧、鎂，外加少量其他元素混合而成，4種主要元素的含量在整個(gè)地幔中似乎大體均勻。不過(guò)取決于不同的深度，這些元素會(huì)組成不同類型的礦物。因此，地幔本身又可以分成許多同心層，在不同的深度由不同的礦物“唱主角”。
雖然幾十年來(lái)，我們對(duì)地幔內(nèi)大多數(shù)圈層的特征和組成已經(jīng)相當(dāng)了解，但直到不久以前，最下面一層仍讓我們有一點(diǎn)困惑。2002年，我們實(shí)驗(yàn)室在相當(dāng)于地幔最底層 300千米內(nèi)的溫度和壓力條件下，合成了一種新的高密度礦物??后鈣鈦礦（postperovskite），終于把這一困惑徹底消除。自那時(shí)起，多項(xiàng)研究都揭示了后鈣鈦礦對(duì)地球的動(dòng)力學(xué)過(guò)程所發(fā)揮的引人矚目的影響。這種礦物明顯存在于地幔之中，這一點(diǎn)已被科學(xué)家證實(shí)。那就意味著，地幔對(duì)流（冷的巖塊下沉，熱的巖漿帶著地球內(nèi)部的熱能上涌）要比我們?cè)瓉?lái)以為的更有活力，這種方式傳輸熱能也更加有效。如果沒(méi)有后鈣鈦礦，大陸的生長(zhǎng)速度就會(huì)更加緩慢，火山活動(dòng)也不會(huì)如此活躍。后鈣鈦礦的形成還可能增強(qiáng)了地球的磁場(chǎng)，有效屏蔽宇宙線并迫使太陽(yáng)風(fēng)偏轉(zhuǎn)，從而使地球上的生物遷居陸地生活成為可能。換句話說(shuō)，后鈣鈦礦是理解地球演化過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵的缺失環(huán)節(jié)。
地幔之底
地幔底部上方300 千米處，地震波在那里傳播時(shí)會(huì)發(fā)生波速上的突然變化，原因不詳。
地球物理學(xué)家通過(guò)測(cè)量地震波了解地球的結(jié)構(gòu)。地震發(fā)生后，由于地震波可以傳遍整顆行星，靈敏的地震儀即使在地球的另一端也能接收到地震波信號(hào)。地震波穿過(guò)不同介質(zhì)間的邊界時(shí)，會(huì)發(fā)生折射或反射。對(duì)這些現(xiàn)象所做的全球觀測(cè)已經(jīng)證明，地幔擁有5 個(gè)同心圈層，在每個(gè)層間界面上，地震波速都會(huì)發(fā)生明顯的突然改變�？茖W(xué)家已經(jīng)把這些波速躍變歸因于巖石結(jié)構(gòu)的變化，而這些變化又歸因于隨深度的增加而不斷升高的壓力和溫度。
巖石由不同的礦物組成。每種礦物都是原子按照一定的幾何構(gòu)型排列而成的晶體，因而具有各自獨(dú)特的成分、物理性質(zhì)，甚至顏色??想想一塊普通的花崗巖桌面上有多少種不同的顆粒吧。在地幔中，只要深度達(dá)到一定程度，巨大的壓力和溫度就會(huì)迫使元素重新排列組合成新的晶體結(jié)構(gòu)。用物理學(xué)家的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，物質(zhì)發(fā)生了相變（phase transition）。
由于無(wú)法直接觀察地球深部，早期想研究地幔結(jié)構(gòu)的地質(zhì)學(xué)家不得不轉(zhuǎn)而尋找被源自地幔的巖漿攜帶到地表的地幔巖。這些地幔巖中常包裹有金剛石。形成金剛石所需的壓力和溫度要在地下150 千米以下才會(huì)出現(xiàn)，因而可以推測(cè)，包裹金剛石的巖石也應(yīng)來(lái)源于相同的深度。
如此一來(lái)，這些巖石就提供了地幔最上層的大量信息。但是，來(lái)源深度超過(guò)200 千米還能到達(dá)地表的地幔巖或地幔礦物非常罕見(jiàn)。隨著科學(xué)家學(xué)會(huì)如何在實(shí)驗(yàn)室中制造高壓和高溫，他們已經(jīng)能夠合成那些被認(rèn)為存在于地幔更深層中的礦物。地幔中的圈層以巖石中的主要礦物成分來(lái)命名：在上地幔中，從上到下依次是橄欖石（olivine）、變尖晶石（modified spinel）和尖晶石（spinel）。接著，從660 千米深度往下，地幔的主要成分變成了鎂硅酸鹽（MgSiO3）的一種高密度變體。它屬于龐大的鈣鈦礦晶族 （perovskites），其中的晶體都由帶負(fù)電荷的氧離子與兩種帶正電荷的離子（對(duì)這一變體來(lái)說(shuō)，分別是鎂離子和硅離子），通過(guò)靜電吸引結(jié)合而成。鈣鈦礦晶族的化學(xué)成分種類繁多，其中既有超導(dǎo)材料，也有在壓電裝置、電容器等電子器件中廣泛使用的材料。

硅酸鎂鈣鈦礦（Magnesium silicate perovskite）于1974 年被首次合成，合成壓力是30 GPa（1 GPa 等于10 億帕斯卡，大概相當(dāng)于海平面大氣壓的1 萬(wàn)倍）。在接下來(lái)的30 年里，專家們一致認(rèn)為，下地幔的主要成分就是硅酸鎂鈣鈦礦，直到2 890 千米深處的核－幔邊界也不會(huì)再發(fā)生其他相變了。
然而，在20 世紀(jì)60 年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的地震波異常，出現(xiàn)在地下2 600千米深處。這樣一來(lái)，過(guò)去常被稱為D 層的下地幔，如今就被分成了D′和D″這兩個(gè)次層，其中D″層占據(jù)了地幔最底部300 千米厚的殼層。到了1983 年，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)上述異常實(shí)際上是一個(gè)波速的不連續(xù)躍變，不過(guò)當(dāng)時(shí)這被歸結(jié)為元素分布的不均勻，而不是礦物相變邊界。之所以做出這樣的假設(shè)，部分原因在于，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為鈣鈦礦擁有“完美”的晶體結(jié)構(gòu)??原子在其中排列成一種緊密的幾何形狀，似乎已經(jīng)使單位體積的質(zhì)量達(dá)到了最大化。專家們不相信鈣鈦礦能被壓縮成比它自身更緊密的結(jié)構(gòu)。在另一方面，元素分布不均勻的假說(shuō)也有問(wèn)題，因?yàn)閷?duì)流應(yīng)該能攪動(dòng)下地幔，使物質(zhì)在各層之間充分混合，讓元素種類和相對(duì)比例趨于一致。
為了驗(yàn)證這種情況，實(shí)驗(yàn)條件必須達(dá)到120 GPa 的高壓和2 500 K 的高溫。20 世紀(jì)90 年代中期，我對(duì)這一問(wèn)題產(chǎn)生了興趣，接著就在實(shí)驗(yàn)室里開(kāi)始了實(shí)驗(yàn)。我先把地幔類物質(zhì)放入金剛石壓腔（diamond-anvil cell），讓兩側(cè)的寶石級(jí)天然金剛石（大小約為0.2克拉）擠壓以產(chǎn)生高壓，再用激光對(duì)試樣進(jìn)行加熱。壓強(qiáng)達(dá)到80 GPa 時(shí)，就連金剛石這種迄今所知的最硬材料都開(kāi)始明顯變形。想把壓強(qiáng)推到更高，就必須優(yōu)化金剛石頂砧尖端的形狀，讓金剛石不會(huì)破裂。我和同事壓裂了許多金剛石，不僅損失了研究經(jīng)費(fèi)，有時(shí)還會(huì)大大打擊我們的研究熱情。終于在2001 年，我們利用帶有斜面的頂砧突破了120 GPa 的壓力極限。我們成了世界上第一批能夠產(chǎn)生如此高壓的實(shí)驗(yàn)室之一，并且率先研究了這種高壓對(duì)鈣鈦礦的影響。

本文來(lái)自：逍遙右腦記憶 http://www.yy-art.cn/chuzhong/579033.html

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