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地心深處的生命保護傘
來源: 《環球科學》 | 作者:廣瀨敬 Kei Hirose | 時間:2015-05-14 15:02:12 | 人氣:

  

地幔底部的藍色部分為后鈣鈦礦

地心深處

  ●在高壓下,下地幔中最常見的礦物會經歷結構轉變,使密度增加。

  ● 存在這種密度更高的礦物,表明地幔中的活動比我們過去認為的更加活躍,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”。事實上,冥王星在 1930年就被發現了,而在此之后又過了 6年,地震數據才確立了地球內核的存在。

  盡管如此,對于我們居住的這顆行星,地球科學家已經獲得的認識還是多得驚人。我們知道,地球的結構大體上像一顆洋蔥,由地核、地幔和地殼三個同心層組成。地幔約占整個地球體積的85%,它的緩慢運動驅動著地殼中的地質劇變。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地幔中似乎大體均勻。不過取決于不同的深度,這些元素會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,我們對地幔內大多數圈層的特征和組成已經相當了解,但直到不久以前,最下面一層仍讓我們有一點困惑。2002年,我們實驗室在相當于地幔最底層 300千米內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。自那時起,多項研究都揭示了后鈣鈦礦對地球的動力學過程所發揮的引人矚目的影響。這種礦物明顯存在于地幔之中,這一點已被科學家證實。那就意味著,地幔對流(冷的巖塊下沉,熱的巖漿帶著地球內部的熱能上涌)要比我們原來以為的更有活力,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更加緩慢,火山活動也不會如此活躍。后鈣鈦礦的形成還可能增強了地球的磁場,有效屏蔽宇宙線并迫使太陽風偏轉,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關鍵的缺失環節。

地幔之底

  地幔底部上方300 千米處,地震波在那里傳播時會發生波速上的突然變化,原因不詳。

  地球物理學家通過測量地震波了解地球的結構。地震發生后,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。地震波穿過不同介質間的邊界時,會發生折射或反射。對這些現象所做的全球觀測已經證明,地幔擁有5 個同心圈層,在每個層間界面上,地震波速都會發生明顯的突然改變。科學家已經把這些波速躍變歸因于巖石結構的變化,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型排列而成的晶體,因而具有各自獨特的成分、物理性質,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,只要深度達到一定程度,巨大的壓力和溫度就會迫使元素重新排列組合成新的晶體結構。用物理學家的術語來說,物質發生了相變(phase transition)。

  由于無法直接觀察地球深部,早期想研究地幔結構的地質學家不得不轉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 千米以下才會出現,因而可以推測,包裹金剛石的巖石也應來源于相同的深度。

  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 千米還能到達地表的地幔巖或地幔礦物非常罕見。隨著科學家學會如何在實驗室中制造高壓和高溫,他們已經能夠合成那些被認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電荷的氧離子與兩種帶正電荷的離子(對這一變體來說,分別是鎂離子和硅離子),通過靜電吸引結合而成。鈣鈦礦晶族的化學成分種類繁多,其中既有超導材料,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-幔邊界也不會再發生其他相變了。

  然而,在20 世紀60 年代,科學家發現了一個新的地震波異常,出現在地下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″這兩個次層,其中D″層占據了地幔最底部300 千米厚的殼層。到了1983 年,科學家又發現上述異常實際上是一個波速的不連續躍變,不過當時這被歸結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,部分原因在于,當時人們認為鈣鈦礦擁有“完美”的晶體結構——原子在其中排列成一種緊密的幾何形狀,似乎已經使單位體積的質量達到了最大化。專家們不相信鈣鈦礦能被壓縮成比它自身更緊密的結構。在另一方面,元素分布不均勻的假說也有問題,因為對流應該能攪動下地幔,使物質在各層之間充分混合,讓元素種類和相對比例趨于一致。

  為了驗證這種情況,實驗條件必須達到120 GPa 的高壓和2 500 K 的高溫。20 世紀90 年代中期,我對這一問題產生了興趣,接著就在實驗室里開始了實驗。我先把地幔類物質放入金剛石壓腔(diamond-anvil cell),讓兩側的寶石級天然金剛石(大小約為0.2克拉)擠壓以產生高壓,再用激光對試樣進行加熱。壓強達到80 GPa 時,就連金剛石這種迄今所知的最硬材料都開始明顯變形。想把壓強推到更高,就必須優化金剛石頂砧尖端的形狀,讓金剛石不會破裂。我和同事壓裂了許多金剛石,不僅損失了研究經費,有時還會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生如此高壓的實驗室之一,并且率先研究了這種高壓對鈣鈦礦的影響。

  本文作者:

  廣瀨敬,是日本東京工業大學研究高壓地球科學的教授。他在就讀東京大學時之所以選擇主修地質,就是希望能去南極洲或潛入深海探險。他的研究專注于實驗室中創造超高壓和超高溫環境,對深部地球及行星物質特別感興趣。不過,至今他還沒有放棄他的探險之夢。

  本文譯者

  王茜,博士,中國科學院廣州地球化學研究所科研人員,主要從事巖石礦物物理、流變學研究。

  本文審校

  嵇少丞,博士,加拿大蒙特利爾大學綜合工學院教授,主要從事地球材料流變學、巖石物理性質和深部構造方面的研究。