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举个栗子:难道地下500公里深处也有海洋?

日报 举个栗子 2年前 (2017-12-31) 190次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:难道地下 500 公里深处也有海洋?

对于我们脚下 500 公里的地球深处,你了解多少?加拿大阿尔伯塔大学的 Pearson 教授最近在《自然》上发表的论文会让我们大吃一惊。作者通过 X 射线衍射、拉曼衍射、红外光谱等材料分析技术研究了一个来自地幔过渡带(距地表 410-660 公里处)的罕见矿石样品——尖晶橄榄石。他们的工作成果表明该样品富含水,同时支持了过渡带是含水区域的假说。

尖晶橄榄石   

对于橄榄石,或许我们并不陌生,它的主要成分是铁或镁的硅酸盐。然而,尖晶橄榄石却鲜为人知。尖晶橄榄石是在地幔 500~660 公里处,可以承受高温高压的一种高压多晶型橄榄石,以澳大利亚的地质学家 Ted Ringwood 命名。早在上个世纪,对于地震的观察表明地震波在某些不连续带会突然改变,Ted Ringwood 首先提出这一观点:这些不连续是由于矿物橄榄石的相变化,这些橄榄石是上地幔的重要组成部分。这些变化会引起高压相,其中就包括被称为尖晶石结构的晶体结构。后来,人们陆续在陨石中发现了这种结构。

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然而,到目前为止,没有人见过来自地幔的尖晶橄榄石,尽管地球物理学家们都确信它一定存在。一方面,来自过渡带低地幔的样品非常罕见,只能在为数不多的罕见钻石中找到;另一方面,即使是在一个钻石内部,随着钻石从地表升起,它的内部压力逐渐降低,很自然,尖晶橄榄石会变成橄榄石。即便如此,在 Pearson 教授和他同事共同研究的钻石中,尖晶橄榄石还是保持了它原来的结构。这是一个惊人的发现,同时也表明该钻石移动到地表的速度极其地快,这很可能是过渡带岩浆产生的火山爆发引起的。

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地幔与地震   

乍一听,地幔这个名字会让人感觉不知所云,但是,接着看下去,便会云开雾散。地壳下面是地球的中间层,叫做“地幔”,厚度约 2900 公里,化学成分主要是含铁镁的硅酸盐(即橄榄石),占地球体积的 83%,总质量的 68%,这是地球内部体积最大、质量最大的一层。地幔可分为上地幔和下地幔这两层,有时也分为上地幔,下地幔,过渡带。

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单一的研究地幔或许太过空洞,缺乏实际意义,但是,当把地幔的构造与地震联系起来,将会为我们在防范灾害面前指引方向。有科学家认为深源地震(震源深度超过 300 公里)很可能由于地幔中矿物—橄榄石发生相变引起的。相变是指物质在温度,压力等外部参数发生连续变化时,从一种相态变成另一种相态的过程。

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一个由法国和美国研究人员组成的研究小组在《科学》上发表的期刊称他们借助同步加速器辐射和声学、材料领域的高端科技,在实验室成功模拟了深源地震发生的过程。此外,他们模拟地幔深处持续的高温高压环境,并且在此条件下,观察到在由橄榄石结构转变到尖晶橄榄石结构的过程中会发生化学键断裂,并形成新的晶核。这些键的断裂扩散极快,同时快速释放能量,产生弹性波。有了这些知识,你能想到一些监测地震的方法吗?

地表 500 公里深处的秘密   

或许你还对《地心游记》这部经典科幻作品记忆犹新。一谈到地球内部的构造,很自然地就联系到电影里面的场景。电影里面,地球内部存在着波涛汹涌的海洋,怪异的史前动物,远古的原始森林还有巨大的蘑菇林。虽然这些描写奇异怪诞至极,但就目前看来,这种情况也不是毫无可能。

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近日,Pearson 和同事得到了一块来自地幔过渡带的矿石样品。通过红外光谱分析,他们发现该样品的红外光谱中-OH 基团的吸收峰和那些人工合成的含水量大约 1%~2%的样品吸收峰惊人的相似。也就是说,这些样品的含水量相当于 1%~2%。如果这个样品可以代表整个过渡层底部,520~660km 间,该矿石又是稳定的,那么地幔将会蕴含总量达 1.4×1021kg 的水,相当于所有地球上海洋含量的总和。换句话说,它就是地球内部的海洋,正如凡尔纳在他的小说《地心游记》里所描述的那样,尽管不是以液态水存在,而是以-OH 集团存在于不寻常的矿石中。换句话说,地下的水只是“半成品”,要想把它变成真正的液态水,我们还需要对它进行“加工”。假如地下真有这么多的水,我们该用何种方法把它利用起来呢?

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这项发现在一定程度上支持了过渡带含水的假说,但是,在某些方面,我们还不能完全确定地下水的含量。因为用尖晶橄榄石的单一样本推断地下水的规模可能不一定正确。同时,该实验样品不一定具有代表性,很有可能潮湿的尖晶橄榄石只是一个特例,不能代表整个过渡带里其他橄榄石的真实状况。然而,基于这个样品,不含水或含水较少的过渡带模型似乎有些不太可能。这些过渡带的水究竟从何而来呢?按照地质学的一些基本原理,这些水很有可能是在板块移动过程中被吸到地表深层而聚集起来,也有可能是在地球形成阶段就已经存在,而那些含水的尖晶橄榄石很有可能就是在火山喷发时被推倒地表而存留下来。

举个栗子:难道地下 500 公里深处也有海洋?

这一重大发现具有深远意义,试想一下,如果地壳下存在这么多水,一定会对岩浆运动和板块移动产生重大影响。你能预测一下,这些影响会在哪些方面吗?同时,这会对研究火山爆发,地震指引方向。地球是这样一个动态星球的众多原因之一就是地球内部含有一些水,水能改变一个星球所有的运作方式。   

无论如何,关于地幔含水的研究又进了一步,究竟地幔里含水多少,具体以何种形式,如何把它们利用起来,还需要科学家们进一步的探讨。

(作者:孟丽)


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