地球內部是什麼樣子？
長期以來，科學家通過測量深部地震波波速、高溫高壓實驗模擬等手段，試圖“看”清地球內部構成。他們發現，在地球深處某些地方，地震波波速會突然躍增。就像聲音在不同介質中的傳播速度不同，科學家推測這或許與礦物相的改變有關。於是，憑藉腦洞和科學數據，地學界逐漸形成了現有的地幔礦物學模型。
然而，最近中國科學家的一項“叛逆”推測，可能會讓學界重新分析地震波波速突然躍增的成因，並重新考量地幔礦物學模型。
“林伍德石”與一個不像問題的問題
20世紀，澳大利亞學者泰德•林伍德在解釋地震波波速突然躍增時提出，高溫高壓下橄欖石會發生改變，並在地幔過渡帶下部520公里至660公里處轉變為一種特殊礦物，從而影響地震波波速。人們將其稱為“林伍德石”。科學家認為，研究林伍德石結構及物理化學性質等問題有助於完善地球地幔礦物學模型，瞭解地球內部520公里至660公里處地震波波速突然躍增的成因。
在諸多科學問題中，有一個看起來不是問題的問題：林伍德石中陽離子佔位的無序性。該石具有典型的尖晶石型結構，包含氧原子和另外兩種陽離子。氧原子形成晶體的“儲物架”，原子間的縫隙為兩種陽離子提供了四面體、八面體兩種空間。常溫常壓下，兩種陽離子會各自有序地待在自己的空間，但遇到高溫高壓，它們就會不“安分”起來，部分原本在四面體裡的離子會趁機跑進八面體，同時部分原在八面體裡的離子會跑到四面體中，由此，無序狀態出現，晶體的物理化學性能也隨之變化。
過去半個多世紀裡，就像公認的“1+1=2”一樣，科學界認為林伍德石裡的硅離子和鎂離子一直會很“乖”。在此基礎之上，現有的地幔礦物學模型建立起來。
意外！硅離子去哪兒了？
最開始，北京大學地球與空間學院劉曦團隊並未打算研究林伍德石的無序問題。當時，他們在中科院戰略性先導科技專項（B類）、科技部國家重點研發計劃項目等的支持下，研究含碳地幔橄欖岩、榴輝巖等在地球內部的熔化過程。項目設計了一系列高溫高壓實驗，很偶然地在不同溫壓條件下合成一批硅含量不同的鎂鋁尖晶石。劉曦突發奇想跟碩士生劉麗萍說：“既然含硅，不如我們測一下吧，看看硅到底在什麼位置上。”
圖1 合成含硅尖晶石及對照組拉曼光譜特徵（圖片來源：北京大學地球與空間科學學院網站）
劉麗萍的第一反應和大多數專業人士一樣：“肯定是在四面體裡啊！”可當她用拉曼光譜測試了樣品，並與天然的無硅鎂鋁尖晶石、石英、合成的無硅鎂鋁尖晶石、柯石英和鎂橄欖石等對照時發現，在較低溫壓下，尖晶石中的硅離子處在四面體位置。但隨著溫壓升高，樣品中硅氧四面體的拉曼譜峰竟明顯變弱。硅離子去哪兒了？“如果不在四面體裡，只能說明在更高溫度壓力條件下，它們去了八面體，也就是說，硅離子佔位變得無序了。”劉麗萍說。
經過計算，他們發現，高溫高壓下，尖晶石中硅的佔位已達到完全無序狀態，無序程度達66.7%。由此，他們推測，在同為尖晶石結構的林伍德石中，硅離子佔位很有可能也存在高度無序的情況，只是人類至今尚未直接測到而已。
“已有理論研究表明，若無序程度為12.5%，地震波波速將減少3%至5%。所以，如果高溫高壓下的林伍德石會出現高度無序狀態，如66.7%，那麼地幔礦物學模型就需要被重新考量。”劉曦說。
圖2 合成含硅尖晶石硅氧四面體拉曼相對峰強變化（圖片來源：北京大學地球與空間科學學院網站）
“叛逆”成果背後的波瀾
論文5月12日在《礦物質》雜誌發表後，就引起了廣泛關注。雖然由於研究結果太過“叛逆”，投稿過程頗為坎坷。但在今年4月，他們把論文發給《礦物質》後，收到的四位匿名同行專家評審建議之一寫道：
“這篇論文提高了學界對林伍德石中硅鎂無序的認識，其研究方法屬於歷史首次，且研究採用的多元方法很好地說明了林伍德石的結構無序以及類似礦物的化學差異。”
該團隊將進一步研究林伍德石離子佔位無序程度與溫度、壓強間的函數關係。
《中國科學報》（2018-05-21 第4版 綜合）
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