研究者挑戰地球深處的模型

Experiments challenge models about the deep Earth
http://www.physorg.com/news109517518.html

September 20, 2007

在能夠模擬在地球下部地函（lower mantle，下地幔）所發現支離破碎的、劇烈狀態，與同時探測到高劑量鐵的第一個實驗中，科學家發現該處物質的行為與之前模型所預測的十分不同。研究者亦指出，地球深處可能有新區域存在。這項研究發表於 9/21 的 Science。

表面現象如火山爆發與地震，因地球內部所進行的事物而產生。為了要了解一些表面動態，科學家必須要深入探測這顆行星。下部地函位於地底 650 - 2800 公里之間，座落在外核（outer core）之上。

該論文的共同作者，Carnegie Institution 地球物理實驗室的 Viktor Struzhkin 解釋："當你愈深入，壓力與溫度會變得愈高。在這些極端條件下，岩石的原子與電子被擠壓的如此緻密，以致於它們的交互作用相當古怪。事實上，在鐵（地球內部相當普遍）當中旋轉的電子被迫成對。當這種自旋態從未成對的電子 -- 稱為高自旋態 -- 轉變成成對的電子 -- 低自旋態-- 密度、聲速、導電性以及其他物質特性都會改變。了解這些狀態能幫助科學家拼湊出內部、表面之間複雜的交互作用。"

下部地函的壓力很嚴苛，比海平面的大氣壓力要大上 23 萬倍（23 GPa），到 135 萬倍（135 GPa）。熱度亦同樣極端 -- 從 1800 K 到 4000 K。利用雷射加熱鑽石砧（diamond anvil cell，DAC，鑽石高壓砧）來加熱並壓縮樣本，科學家將低鐵方鎂石（ferropericlase）壓到 94 萬個大氣壓與 1999.8 K。他們使用雷射發射光譜儀（X-ray emission spectroscopy）來分析它。如同其名稱所暗示，低鐵方鎂石是富含鐵（譯註：這裡的低，是指下部地函）。它亦是下部地函中所發現第二多的物質。在先前的研究中，低鐵方鎂石已遭受高壓，不過是在室溫下。新實驗則同時進行高溫與高壓以探測礦物在下部地函狀態中，鐵的自旋態。

在之前實驗較不劇烈的狀態中，高自旋態到低自旋態的轉變（transition）發生在一個狹隘的壓力範圍內。然而，在新研究中，二種自旋態都同時存在於相同的晶體結構中，而自旋轉變（spin transition）亦持續在一大段壓力範圍中進行，這指出，礦物在地球深處一大段範圍內，是處於複雜狀態中。

"我們預計會發現一個過渡地帶（transition zone），不過並不清楚它在地球地幔中會如何延伸，" Struzhkin 評論道。"我們的發現暗示那裡有一個區域或「自旋轉變區（spin-transition zone）」，在 620 哩到 1365 哩深之處，在那裡高自旋、非成對電子，轉變成低自旋、成對電子。轉變顯然會持續在這些深度下進行。在代表約 1365 哩之下部深度的壓力下，轉變停止，低鐵方鎂石受到低自旋電子主宰。"

因為那些科學家用來決定成份與地球內部密度的測量，例如聲速，受到高／低自旋態比率的影響，這項新發現對傳統上用來未地球該區域進行塑模（modeling）之技術提出質疑。

此外，一個連續的自旋轉變區或許能解釋某些有趣的實驗發現，包括為何這裡沒有顯著的將鐵分割（partitioning）成低鐵方鎂石與鈣鈦礦（perovskite），該區域中最普遍的礦物。這項研究亦暗示，過渡地帶的深度比科學家所推斷的來的淺。

過渡地帶的存在或許也影響地震波在該區域的行為。最底層區域被稠密的低自旋物質主宰這項事實，也會影響地幔上湧（mantle upwellings，火山產生熱點，例如在夏威夷的那些）溫度的穩定性。

"這篇論文只解決謎團當中的一部份，" Struzhkin 繼續說。"因為主要的下部地幔礦物鈣鈦礦尚未利用這項技術測量，我們知道那裡還有更多驚奇等著我們。"

※ 相關報導：

＊ Spin Transition Zone in Earth's Lower Mantle
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/317/5845/1740

Jung-Fu Lin, György Vankó, Steven D. Jacobsen,
Valentin Iota, Viktor V. Struzhkin, Vitali B. Prakapenka,
Alexei Kuznetsov, Choong-Shik Yoo
Science 21 September 2007: Vol. 317. no. 5845, pp. 1740 - 1743
DOI: 10.1126/science.1144997

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