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、地幔和地殼三個同心層組成。地幔約占整個地球體積的85%，它的緩慢運動驅(qū)動著地殼中的地質(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(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困惑。2002年，我們實驗室在相當(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。自那時起，多項研究都揭示了后鈣鈦礦對地球的動力學(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，這一點已被科學(xué)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(nèi)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(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會發(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。地震波穿過不同介質(zhì)間的邊界時，會發(fā)生折射或反射。對這些現(xiàn)象所做的全球觀測已經(jīng)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(fā)生明顯的突然改變?？茖W(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)會如何在實驗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。
