地球内部的冷却速度比预期的要快

　　江苏激光联盟导读：
　　研究人员研究了地球内部的导热性能。
　　ETH Zurich的研究人员在实验室中演示了一种常见的矿物在地核和地幔交界处的导热性能。这使他们怀疑地球的热量可能会比之前认为的消散得更快。
　　我们地球的进化就是它冷却的故事:45亿年前，极端温度在年轻的地球表面盛行，它被岩浆的深海所覆盖。经过数百万年的冷却，地球表面形成了脆弱的地壳。然而，从地球内部散发出的巨大热能引发了地幔对流、板块构造和火山作用等动力学运动过程。
　　然而，地球冷却的速度有多快，持续冷却需要多长时间才能使上述热驱动的过程停止，这些问题仍然没有答案。
　　一个可能的答案可能是形成地核和地幔边界的矿物的热导率。
　　这个边界层是相关的，因为在这里，地幔的粘性岩石与地球外核的热铁镍熔体直接接触。两层之间的温度梯度非常陡，所以这里可能会有大量的热量流动。边界层主要由桥镁石矿物构成。然而，研究人员很难估计这种矿物从地核向地幔传导了多少热量，因为实验验证非常困难。
　　用于测定桥石矿在高压和极端温度下的热导率的测量装置。来源：Murakami M et al, DOI: 10.1016/j.epsl.2021.117329
　　现在，ETH的教授Motohiko Murakami和他来自Carnegie Institution for Sciencehave的同事们已经开发了一个复杂的测量系统，使他们能够在实验室中测量桥石的热导率，在地球内部普遍存在的压力和温度条件下。为了进行测量，他们使用了一个最近开发的光学吸收测量系统，该系统使用脉冲激光加热的钻石单元。
　　显微镜下的单晶桥石样品在80 GPa的钻石砧细胞。红色圆圈表示用于光吸收测量的位置和光斑尺寸(~ 5 μm)。如图所示，样品和参考(KCl区域)的测量有足够的空间尺寸。
　　Murakami说:＂这个测量系统让我们看到，桥石的导热系数比我们假设的要高1.5倍。＂这表明从地核流向地幔的热量也比之前认为的要高。更大的热流反过来又会增加地幔对流，加速地球的冷却。这可能会导致由地幔对流运动持续的板块构造减速，速度比研究人员基于先前热传导值的预期要快。
　　回收的硼镁石样品的透射电子显微镜分析。A、回收的金刚石砧槽样品的聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）图像。平行于金刚石砧槽的压缩轴提取TEM薄片，从而能够测定回收后的样品厚度。B、 bridgmanite（Brg）样品的亮场TEM图像。C、硼镁石样品的选区电子衍射图。分别对Si、Mg和Fe进行D-F、STEM-EDS（能量色散X射线光谱）绘图。G、 TEM-EELS（电子能量损失谱）数据。铁硼镁石边缘结构（ELNES）附近的Fe-L2,3边缘能量损失。我们用于确定铁价态的积分区域用灰色表示。
　　Murakami和他的同事还表明，地幔的快速冷却会改变地核-地幔边界的稳定矿物相。当它冷却时，桥镁石变成钙钛矿后的矿物。但是一旦后钙钛矿出现在地核-地幔的边界并开始占主导地位，地幔的冷却可能会进一步加速，研究人员估计，因为这种矿物的导热效率甚至比桥辉石更高。
　　地球下地幔的辐射热导率。
　　来源：Radiative thermal conductivity of single-crystal bridgmanite at thecore-mantle boundary with implications for thermal evolution of the Earth,Earth and Planetary Science Letters (2021). DOI: 10.1016/j.epsl.2021.117329
　　江苏激光联盟陈长军原创作品！