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地心深处的生命保护伞
添加时间:2010-7-27  来源:环球科学  点击:1597  
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    一种高密度新矿物的发现,让科学家意识到地幔比原先想象的更加活跃,并为人类解释地球的历史提供了一条新线索。

地幔底部的蓝色部分为后钙钛矿

撰文 广濑敬(Kei Hirose)翻译 王茜审校 嵇少丞

地心深处
●在高压下,下地幔中最常见的矿物会经历结构转变,使密度增加。
● 存在这种密度更高的矿物,表明地幔中的活动比我们过去认为的更加活跃,热传递也更有效率。
● 热传递的加快有助于解释大陆为何成长得如此迅速,甚至能够解释地球磁场如何演化才为生命登上陆地铺平了道路。


   迄今为止,人类钻得最深的洞也只有12千米深,位于俄罗斯的科拉半岛(Kola Peninsula)。尽管人类发射的探测器正在飞往距太阳 600亿千米的冥王星,但我们至今不能直接探测地球深处。从实际效果来看,位于我们脚下 6 380千米的地心,要比太阳系边缘更加“遥远”。事实上,冥王星在 1930年就被发现了,而在此之后又过了 6年,地震数据才确立了地球内核的存在。

    尽管如此,对于我们居住的这颗行星,地球科学家已经获得的认识还是多得惊人。我们知道,地球的结构大体上像一颗洋葱,由地核、地幔和地壳三个同心层组成。地幔约占整个地球体积的85%,它的缓慢运动驱动着地壳中的地质剧变。地幔主要由硅、铁、氧、镁,外加少量其他元素混合而成,4种主要元素的含量在整个地幔中似乎大体均匀。不过取决于不同的深度,这些元素会组成不同类型的矿物。因此,地幔本身又可以分成许多同心层,在不同的深度由不同的矿物“唱主角”。

    虽然几十年来,我们对地幔内大多数圈层的特征和组成已经相当了解,但直到不久以前,最下面一层仍让我们有一点困惑。2002年,我们实验室在相当于地幔最底层 300千米内的温度和压力条件下,合成了一种新的高密度矿物——后钙钛矿(postperovskite),终于把这一困惑彻底消除。自那时起,多项研究都揭示了后钙钛矿对地球的动力学过程所发挥的引人瞩目的影响。这种矿物明显存在于地幔之中,这一点已被科学家证实。那就意味着,地幔对流(冷的岩块下沉,热的岩浆带着地球内部的热能上涌)要比我们原来以为的更有活力,这种方式传输热能也更加有效。如果没有后钙钛矿,大陆的生长速度就会更加缓慢,火山活动也不会如此活跃。后钙钛矿的形成还可能增强了地球的磁场,有效屏蔽宇宙线并迫使太阳风偏转,从而使地球上的生物迁居陆地生活成为可能。换句话说,后钙钛矿是理解地球演化过程的一个关键的缺失环节。

    地幔之底

    地幔底部上方300 千米处,地震波在那里传播时会发生波速上的突然变化,原因不详。

    地球物理学家通过测量地震波了解地球的结构。地震发生后,由于地震波可以传遍整颗行星,灵敏的地震仪即使在地球的另一端也能接收到地震波信号。地震波穿过不同介质间的边界时,会发生折射或反射。对这些现象所做的全球观测已经证明,地幔拥有5 个同心圈层,在每个层间界面上,地震波速都会发生明显的突然改变。科学家已经把这些波速跃变归因于岩石结构的变化,而这些变化又归因于随深度的增加而不断升高的压力和温度。

    岩石由不同的矿物组成。每种矿物都是原子按照一定的几何构型排列而成的晶体,因而具有各自独特的成分、物理性质,甚至颜色——想想一块普通的花岗岩桌面上有多少种不同的颗粒吧。在地幔中,只要深度达到一定程度,巨大的压力和温度就会迫使元素重新排列组合成新的晶体结构。用物理学家的术语来说,物质发生了相
变(phase transition)。

    由于无法直接观察地球深部,早期想研究地幔结构的地质学家不得不转而寻找被源自地幔的岩浆携带到地表的地幔岩。这些地幔岩中常包裹有金刚石。形成金刚石所需的压力和温度要在地下150 千米以下才会出现,因而可以推测,包裹金刚石的岩石也应来源于相同的深度。

    如此一来,这些岩石就提供了地幔最上层的大量信息。但是,来源深度超过200 千米还能到达地表的地幔岩或地幔矿物非常罕见。随着科学家学会如何在实验室中制造高压和高温,他们已经能够合成那些被认为存在于地幔更深层中的矿物。地幔中的圈层以岩石中的主要矿物成分来命名:在上地幔中,从上到下依次是橄榄石(olivine)、变尖晶石(modified spinel)和尖晶石(spinel)。接着,从660 千米深度往下,地幔的主要成分变成了镁硅酸盐(MgSiO3)的一种高密度变体。它属于庞大的钙钛矿晶族(perovskites),其中的晶体都由带负电荷的氧离子与两种带正电荷的离子(对这一变体来说,分别是镁离子和硅离子),通过静电吸引结合而成。钙钛矿晶族的化学成分种类繁多,其中既有超导材料,也有在压电装置、电容器等电子器件中广泛使用的材料。


 

    硅酸镁钙钛矿(Magnesium silicate perovskite)于1974 年被首次合成,合成压力是30 GPa(1 GPa 等于10 亿帕斯卡,大概相当于海平面大气压的1 万倍)。在接下来的30 年里,专家们一致认为,下地幔的主要成分就是硅酸镁钙钛矿,直到2 890 千米深处的核-幔边界也不会再发生其他相变了。

    然而,在20 世纪60 年代,科学家发现了一个新的地震波异常,出现在地下2 600千米深处。这样一来,过去常被称为D 层的下地幔,如今就被分成了D′和D″这两个次层,其中D″层占据了地幔最底部300 千米厚的壳层。到了1983 年,科学家又发现上述异常实际上是一个波速的不连续跃变,不过当时这被归结为元素分布的不均匀,而不是矿物相变边界。之所以做出这样的假设,部分原因在于,当时人们认为钙钛矿拥有“完美”的晶体结构——原子在其中排列成一种紧密的几何形状,似乎已经使单位体积的质量达到了最大化。专家们不相信钙钛矿能被压缩成比它自身更紧密的结构。在另一方面,元素分布不均匀的假说也有问题,因为对流应该能搅动下地幔,使物质在各层之间充分混合,让元素种类和相对比例趋于一致。

    为了验证这种情况,实验条件必须达到120 GPa 的高压和2 500 K 的高温。20 世纪90 年代中期,我对这一问题产生了兴趣,接着就在实验室里开始了实验。我先把地幔类物质放入金刚石压腔(diamond-anvil cell),让两侧的宝石级天然金刚石(大小约为0.2克拉)挤压以产生高压,再用激光对试样进行加热。压强达到80 GPa 时,就连金刚石这种迄今所知的最硬材料都开始明显变形。想把压强推到更高,就必须优化金刚石顶砧尖端的形状,让金刚石不会破裂。我和同事压裂了许多金刚石,不仅损失了研究经费,有时还会大大打击我们的研究热情。终于在2001 年,我们利用带有斜面的顶砧突破了120 GPa 的压力极限。我们成了世界上第一批能够产生如此高压的实验室之一,并且率先研究了这种高压对钙钛矿的影响。

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