作者:苏黎世联邦理工学院费利克斯·乌尔斯顿 信用:Pixabay/CC0公共域 目前的理解是，地球地幔的化学成分是相对均匀的
但是联邦理工学院的研究人员现在进行的实验表明，这种观点过于简单
他们的结果解决了地球科学面临的一个关键问题——并提出了一些新问题
有些地方我们永远也去不了
地球内部就是其中之一
但是我们确实有办法了解这个未知的世界
例如，地震波让我们能够对我们星球的结构和隐藏在其中的物质的物理性质施加重要的限制
此外，在地球表面的某些地方，从深处冒出的火山岩为地幔的化学成分提供了重要线索
最后还有实验室实验，可以在小范围内模拟地球内部的条件
实验矿物物理学教授村上本彦和他的团队最近在《PNAS》杂志上发表了一篇新的文章，展示了这些实验是多么有启发性
研究人员的发现表明，许多地球科学家对地球内部的理解可能过于简单
戏剧性的变化 在只有几公里厚的地壳下面，是地幔
同样由岩石制成，它围绕着地球的核心，从我们下方2900公里处开始
由于地震信号，我们知道在大约660公里的深度上地幔发生了戏剧性的变化:这是上地幔和下地幔相遇的地方，岩石的机械性质开始不同，这就是为什么地震波的传播速度在这个边界上发生了戏剧性的变化
不清楚的是，这仅仅是一个物理边界，还是岩石的化学成分在这一点上也发生了变化
许多地球科学家认为，作为一个整体，地球的地幔由相对一致的富镁岩石组成，而富镁岩石的成分又与地球表面发现的橄榄岩相似
这些来自上地幔的使者通过火山爆发等事件到达地球表面，显示出镁硅比为1
三
村上解释说:“认为地球地幔的成分或多或少是同质的假设是基于一个相对简单的假设。”
“也就是说，地幔内部强大的对流，也推动了地球表面构造板块的运动，不断地把它混合在一起
但是这种观点可能过于简单
" 硅在哪里？ 这个假设确实有一个根本性的缺陷
人们普遍认为地球是在4
50亿年前，通过从原始太阳星云中出现的陨石的吸积，同样地，这些陨石的整体成分也是相同的
地球分化为地核、地幔和地壳是第二步的一部分
抛开铁和镍，它们现在是地球核心的一部分，很明显地幔应该比橄榄岩含有更多的硅
根据这些计算，地幔的镁硅比应该接近1，而不是1
三
这促使地球科学家提出以下问题:缺失的硅在哪里？有一个显而易见的答案:地球的地幔含有如此少的硅，因为它在地核中
但是村上得出了不同的结论，即硅在下地幔中
这意味着下地幔的组成与上地幔不同
缠绕假说 村上的假设经历了几个波折:首先，我们已经精确地知道地震波穿过地幔的速度
其次，实验室实验表明下地幔主要由硅质矿物硼镁石和富镁矿物铁橄榄石组成
第三，我们知道地震波传播的速度取决于构成岩石的矿物质的弹性
因此，如果这两种矿物的弹性是已知的，就有可能计算出与观测到的地震波速度相关的每种矿物的比例
这样就有可能推导出下地幔的化学成分
虽然铁方镁石的弹性性质是已知的，但硼镁石的弹性性质尚不清楚
这是因为这种矿物的弹性很大程度上取决于它的化学成分；更具体地说，它根据白钨矿含铁量而变化
耗时的测量 在他的实验室里，村上和他的团队现在已经对这种矿物进行了高压测试，并用不同的成分进行了实验
研究人员首先将一个小样本夹在两个金刚石刀头之间，并用一种特殊的装置将它们压在一起
这使标本受到极高的压力，类似于在下地幔中发现的压力
然后，研究人员将激光束对准样本，测量分散在另一侧的光的波谱
利用波谱中的位移，他们能够确定矿物在不同压力下的弹性
“完成测量花了很长时间，”村上报道
“由于铁白云石含量越多，它的透光性就越差，我们需要15天来完成每一次单独测量
" 硅被发现 村上然后使用测量值来模拟与地震波传播最相关的成分
结果证实了他的理论，即下地幔的成分不同于上地幔
村上说:“我们估计布里奇曼岩占下地幔的88%到93%，这使得这个地区的镁硅比大约为1
一个
“村上的假设解决了丢失硅的谜团
但是他的发现提出了新的问题
例如，我们知道在某些俯冲带内，地壳被推入地幔深处——有时甚至深入到地核的边界
这意味着上地幔和下地幔实际上不是密封分离的实体
这两个区域是如何相互作用的，以及地球内部的动力是如何产生地幔化学上不同的区域的，还有待观察
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