地球的内部是什么？探索地幔底部，触摸2900km深处的矿物

　　一提到地球科学，大家可能会想到＂实地考察＂。特别是在研究岩石和地质的时候，有必要去山川和大海采集有趣的岩石，观察地层。
　　但是，在实地调查中，有些领域是无论如何也无法触及的。是＂地球上的内容＂。实际上，人类连挖掘地壳到达地幔的经验都没有。
　　尽管如此，我们还是经常能看到描绘地球内部情况的画面。书籍上写着＂地幔是橄榄岩形成的＂＂岩心是铁制的＂等。阐明这一事实的，是地球科学界的＂椅子上的男人(guy in the chair)＂，也就是以实验室为主战场的地球科学家们。所谓＂大陆＂
　　那么，如前所述，地壳的岩石比较容易得到，也被调查得很清楚。而且，大陆和海洋(下面)的地壳是不同的(大陆地壳和海洋地壳有明确的区别)。
　　这里需要注意的是＂大陆＂一词的使用方法。一般来说，字面意思是＂大的陆地＂，指欧亚大陆和北美大陆等。
　　在地球科学中，＂大陆地壳＂才是大陆，这未必与一般的＂大陆＂一致。也就是说，光看世界地图是无法知道大陆地壳和海洋地壳的分界的。大陆和海洋的差异
　　大陆地壳和海洋地壳完全是两回事。构成的岩石种类不同。另外，作为层的厚度不同。而且，古老程度也不同
　　大陆地壳主要由花岗岩构成，海洋地壳主要由玄武岩构成。虽然都是岩浆冷却凝固后形成的岩石，但岩浆的性质和冷却速度不同。花岗岩是由含水较多、温度较低(700 ~ 800 )的岩浆慢慢冷却凝固而形成的。玄武岩是由不怎么含水的高温(喷发时1200 左右)岩浆急剧冷却凝固而成。
　　构成岩石的不同，造成了大陆地壳和海洋地壳密度的不同。大陆地壳的密度为每立方厘米2.7克，海洋地壳的密度为3.0克。大陆地壳轻，海洋地壳重。
　　虽然与密度不同有关，但大陆地壳和海洋地壳的厚度有很大差异。海洋地壳在任何地方的厚度都差不多，约为6公里(相当于地球半径的约千分之一)。大陆地壳根据地点的不同厚度也有差异。粗略地说，高山下的大陆地壳很厚。平均是30公里左右。地幔出现在地表的地方
　　综上所述，我们对地壳有了比较深入的了解。下面的地幔又如何呢？它隐藏在地壳之下，很难观察。
　　但是也有地幔露出地表的地方。板块之间的碰撞，让其向上翻腾。
　　所谓板块，就是覆盖地表的十几块坚硬的岩板。它区别于包括地壳和地幔的最上部，以及其下的一些具有流动性的区域。
　　各板块的运动方向各不相同，因此到处都在碰撞。碰撞的结果是，其中一个板块翻卷，构成该板块的地幔最上部露出地表。
　　在这种地方发现的地幔岩石被称为橄榄岩。这是以黄莺色(橄榄色)的美丽矿物(橄榄石)为主体的岩石。在可以观察到风化不严重的幌满岩体的地方，就可以找到这种黄莺色的岩石。
　　橄榄岩的密度是每立方厘米3.3克左右。地幔是由比地壳更重的岩石构成的。来自地幔的礼物
　　地震波观测结果显示，地幔将延伸到地下2900公里。在板块碰撞地带露出的地幔深度最多只有100公里。能得到下面的物质吗?
　　地幔深处的物质有可以获取的地方。
　　比如火山。喷出从地幔深处上升的岩浆的火山，有时会得到岩浆带来的地幔岩石。
　　岩浆是岩石熔化后形成的液体。地球内部有一部分岩石融化形成岩浆的地方。岩浆比周围的(未熔化的)岩石轻，受到浮力，浮到地表。实际上，地壳是地幔的一部分融化后在地表冷却凝固而成的，可以说地幔和地壳是父子关系。如果追根溯源，大陆地壳也是来自地幔的岩浆。
　　被挖掘成钻石矿的地方，也是地幔深处喷出的岩浆的通道。
　　众所周知，钻石是碳的结晶。在地球内部作为二氧化碳和甲烷存在的碳，在地球内部的高压力下被还原或氧化，形成钻石。需要多大的压力呢？相当于5万大气压以上——深度150公里以上。
　　钻石矿山相当于150公里深的地幔岩浆的通道。反过来说，在钻石矿山可以得到与钻石一起上升的深度超过150公里的地幔物质。
　　在这种程度的深度中，橄榄岩仍然是地幔的主要构成物质。高压高温实验
　　我们能得到比地幔更深处的物质吗？遗憾的是，在自然界得到的地球深处的岩石深度最多只有200公里。没有任何机制可以将更深的岩石运送到地表。
　　因此，地球科学家们不断进行着在实验室中合成在自然界无法获得的深度的地幔深部物质的挑战。
　　地幔内部的化学组成被认为大致均匀。从元素的角度来看，无论哪个深度都没有太大区别(很难认为特定的元素集中在特定的深度)。那么，如果把自然界得到的橄榄岩(橄榄石)放在地幔深部的温度和压力条件下，应该就能合成出那个深度的主要矿物。在这个想法的指导下，地球科学家开始了高压高温实验。
　　高压高温实验有各种各样的方法，共同点是碾碎样品(矿物等)，不同之处在于＂用什么＂碾碎。作为选择有煤气和金属等，根据目的的压力来区分使用。地幔底部(深度约2900公里)的压力为136万大气压，地球中心的压力为364万大气压。最深处地幔矿物的发现
　　实际上，通过高压高温实验，已经合成了地幔深部的物质。
　　对橄榄岩加压的话，在15万大气压下会变成不同的矿物(相变)。15万大气压是相当于地球内部深度410公里的压力。黄莺色橄榄石相变形成的矿物被称为沃兹里艾特，呈深绿色。
　　如果对沃兹里艾特加压，会在18万大气压(相当于520公里深度)下发生相变。深绿色的沃兹里艾特变成了紫色的林乌迪特。
　　通过高压实验，可以确定地幔中的主要矿物会随着深度的变化而变化。当然，我想挑战更深的深度，但用金属加压的方法有限。如果施加太大的高压，金属本身就会变形，无法释放出更大的压力。即使是最坚硬的金属碳化钨，30万的大气压也是极限。
　　要理解地幔深部，需要更坚硬的物质。在那里被使用的，是钻石。用钻石压扁
　　钻石是世界上最坚硬的物质。
　　通过使用diamond cell装置的实验，可知ringwoodite在下地幔的压力下(24万大气压以上)会分解成两种矿物(1974年)。这两种矿物是桥石和二茂铁。桥石是地球上最大量的矿物，据估算，全部加起来几乎占地球体积的一半。另外，与其他矿物相比非常坚硬，颜色呈浅茶色。
　　地震波观测的数据表明，地幔内部2600公里深处存在着某种层边界。虽然对层分界的形成原因一无所知，但一般认为一定是主要矿物发生了相变。验证这一猜想的方法只有一个——用金刚石单元装置，实现相当于2600公里深度的压力(120万大气压)，对桥接晶体加压。
　　科学家们终于在2002年成功将125个大气压施加到桥接晶体上。桥接晶体向另一种晶体相变的现象得到了确认。这项成果(Murakami et al.， 2004)刊登在2004年春天的《科学》杂志封面上。
　　我们发现的地幔最下部(深度2600 ~ 2900公里的区域)的主要矿物被称为＂后佩罗夫斯矿＂。它的晶体结构非常清楚。由于云母一样的层状结构，具有容易传递电和热的特征。但是，这种晶体在释放压力后会损坏，所以不能从金刚石组件设备中取出来观察。因此，颜色还不太清楚。
　　虽然在此无法详细说明，但通过对地幔最下面的主要矿物的物理特征的明确，对地幔内部的温度分布、岩石地幔和金属岩心的相互作用的理解有了很大的进步。大家明白地球科学中高压实验的重要性了吗?
　　使用金刚石细胞装置的高压实验成果不仅限于合成地幔的主要矿物。例如，它在解开地幔下面的内核之谜方面也发挥了很大的作用。我们的实验室在2010年成功实现了对地球中心施加压力(364万大气压)。不仅是地幔，有关地芯的重大发现也值得期待。