Only Perception: 地幔（地函）最底層發現意料之外的物質特性

2008-09-17

地幔（地函）最底層發現意料之外的物質特性

Researchers discover unexpected properties of materials in lowermost mantle
http://www.physorg.com/news140775122.html

September 16, 2008

一個研究者團隊發現，地球內部深處的物質有預期外的原子特性，可能迫使地球科學家修訂其地球內部過程（internal processes）的模型。

研究者們在實驗室中重建這種物質、壓倒性的壓力以及煉獄般的高溫，他們相信存在於地幔最底層 -- 在地球表面下近 2900 公里處。他們在 Nature Geoscience 期刊中報告這些物質展現出罕見且意料之外的原子特性，那也許影響熱如何在地幔（地函）內部傳遞、稱為超級羽狀物（superplumes）的熱岩柱（地幔柱）如何形成以及磁場與熱如何在地核中產生並傳播到地球表面。

行星的基石（building blocks）：鎂、矽、氧與鐵是地幔最底層中最豐富的物質。一個由德州大學 Austin 分校 Jackson 地球科學系的 Jung-Fu Lin 所領軍的科學家團隊，其所合成的物質，來自於鑽石砧（diamond anvil cell）中的這些基石。鑽石砧這種裝置包含二塊相扣的鑽石，那如同老虎鉗般擠壓樣本。他們使樣本遭受超過 130 萬個標準大氣壓。讓雷射照過透明的鑽石，他們接著將樣本加熱至將近攝氏 3000 度長達數日。

科學家利用美國最強大的 X 光源，該設備位於 Argonne 國家實驗室，稱為同步加速光源（譯註：台灣常稱同步輻射光源），來揭露樣本的電子與原子結構。他們測定，高壓導致樣本中鐵的電子「成對」，或彼此相結合，那通常會彼此排斥。Lin 等人較早的實驗發現證據指出，在較低地幔區域中的電子不是絕大部份成對就是絕大部份未成對。而這項研究是地表下一個廣闊區域具有科學家所描述之「中間自旋態（intermediate-spin state）」，或部份成對之鐵電子的第一個證據。

"我們對於發現部份成對的電子感到驚訝，" Lin 說。"這通常不會在其他我們所知道的地質物質中發生。"

電子成對的程度，也稱為電子自旋態，能影響物質有多麼能夠導熱與導電。Lin 說，建構出地幔力學電腦模擬的塑模者，現在得要回頭並嘗試測定這種中間自旋態會如何影響熱在地球內部的傳遞方式、超級羽狀物如何形成、對流如何在地幔中發生以及地球的磁場如何從地核散發。

電子自旋態也能夠影響地震波穿越地幔深處物質的速度。結果，最底層地幔的地震影像 -- 當地震震動在地表下通過物質以及自物質反射回來時所收集的 -- 可能得要重新詮釋。

※ 相關報導：

＊ Intermediate-spin ferrous iron in lowermost mantle post-perovskite and perovskite
http://dx.doi.org/10.1038/ngeo310

Jung-Fu Lin, Heather Watson, Gyorgy Vanko, Esen E. Alp,
Vitali B. Prakapenka, Przemek Dera, Viktor V. Struzhkin,
Atsushi Kubo, Jiyong Zhao, Catherine McCammon &
William J. Evans
Nature Geoscience, Published online: 14 September 2008
doi: 10.1038/ngeo310

＊ Stable intermediate-spin ferrous iron in lower-mantle perovskite
http://dx.doi.org/10.1038/ngeo309

C. McCammon, I. Kantor, O. Narygina, J. Rouquette,
U. Ponkratz, I. Sergueev, M. Mezouar, V. Prakapenka &
L. Dubrovinsky
Nature Geoscience Publsihed online: 14 September 2008
doi: 10.1038/ngeo309