神马文学网地心深处的生命保护伞2
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地心深处的生命保护伞
时间:2010-07-26 08:59 来源:《环球科学》2010年07期 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”。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。
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。