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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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【轉(zhuǎn)帖】地心深處的生命保護(hù)傘 已有5人參與
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地心深處的生命保護(hù)傘 時(shí)間:2010-07-26 08:59 來源:《環(huán)球科學(xué)》2010年07期 從實(shí)際效果來看，位于我們腳下 6 380千米的地心，要比太陽系邊緣更加“遙遠(yuǎn)”。事實(shí)上，冥王星在 1930年就被發(fā)現(xiàn)了，而在此之后又過了 6年，地震數(shù)據(jù)才確立了地球內(nèi)核的存在。一種高密度新礦物的發(fā)現(xiàn)，讓科學(xué)家意識(shí)到地幔比原先想象的更加活躍，并為人類解釋地球的歷史  地幔底部的藍(lán)色部分為后鈣鈦礦 撰文 廣瀨敬（Kei Hirose）翻譯 王茜審校 嵇少丞 地心深處 ●在高壓下，下地幔中最常見的礦物會(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得如此迅速，甚至能夠解釋地球磁場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)射的探測器正在飛往距太陽 600億千米的冥王星，但我們至今不能直接探測地球深處。從實(shí)際效果來看，位于我們腳下 6 380千米的地心，要比太陽系邊緣更加“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，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)瓉硪詾榈母谢盍�，這種方式傳輸熱能也更加有效。如果沒有后鈣鈦礦，大陸的生長速度就會(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，有效屏蔽宇宙線并迫使太陽風(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，后鈣鈦礦是理解地球演化過程的一個(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)家通過測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。科學(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)語來說，物質(zhì)發(fā)生了相 變（phase transition）。 由于無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，包裹金剛石的巖石也應(yīng)來源于相同的深度。 如此一來，這些巖石就提供了地幔最上層的大量信息。但是，來源深度超過200 千米還能到達(dá)地表的地幔巖或地幔礦物非常罕見。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)這一變體來說，分別是鎂離子和硅離子），通過靜電吸引結(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。從實(shí)際效果來看，位于我們腳下 6 380千米的地心，要比太陽系邊緣更加“遙遠(yuǎn)”。一種高密度新礦物的發(fā)現(xiàn)，讓科學(xué)家意識(shí)到地幔比原先想象的更加活躍，并為人類解釋地球的歷史提供了一條新線索。  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 萬倍）。在接下來的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，過去常被稱為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也有問題，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)這一問題產(chǎn)生了興趣，接著就在實(shí)驗(yàn)室里開始了實(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。 本文作者：  廣瀨敬，是日本東京工業(yè)大學(xué)研究高壓地球科學(xué)的教授。他在就讀東京大學(xué)時(shí)之所以選擇主修地質(zhì)，就是希望能去南極洲或潛入深海探險(xiǎn)。他的研究專注于實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造超高壓和超高溫環(huán)境，對(duì)深部地球及行星物質(zhì)特別感興趣。不過，至今他還沒有放棄他的探險(xiǎn)之夢(mèng)。 本文譯者 王茜，博士，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所科研人員，主要從事巖石礦物物理、流變學(xué)研究。 本文審校 嵇少丞，博士，加拿大蒙特利爾大學(xué)綜合工學(xué)院教授，主要從事地球材料流變學(xué)、巖石物理性質(zhì)和深部構(gòu)造方面的研究。 本文選自《環(huán)球科學(xué)》2010年第7期《地心深處的生命保護(hù)傘》 |
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