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认识地幔:弹性方法来助阵
地球、空间、海洋
2018-03-23 12:52
作者  吴忠庆

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弹性新方法的计算量不到常规方法的十分之一,有力地加速了高温高压下弹性数据的获取,从而加深对地幔的理解和认识。

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遥望太空,旅行者1号探测器已经进入了太阳系最外层边界,然而看看我们脚下,地球上最深的柯拉钻井只有12千米深,还没有穿透薄薄的地壳,更无法与6000多千米的地球半径相比。这当然并不是因为人类只将目光投向深邃的太空。实际上,人类在思索浩瀚的宇宙时,对脚下这颗再熟悉不过的蔚蓝星球从没有停止过探索。但俗话说,上天容易入地难,目前人们还无法更进一步地深入地心,不能直接进入地球内部进行采样。既然如此,如何才能了解地球内部结构呢?

研究发现,我们可以“由表及里”地探索地球内部。例如,地学领域最重要的板块运动理论告诉我们,地表物质和内部物质是相互循环的。具体来说,地球深部的物质会上涌,在洋中脊处喷出岩浆形成新的大洋岩石圈,离开洋中脊的大洋岩石圈变冷变重后俯冲到大陆岩石圈的下方进入地球深部。我们还可以从地球演化的角度来认识地球,陨石的研究帮助我们理解地球形成之初的成分以及陨石和地表样品的成分异同,进而回答地球经历了何种演化过程、现在地球内部的成分等等。

电磁波、地震波等也可以穿透地球,提供地球内部的信息。地震产生的地震波被地表的众多地震台站接收,通过分析这些地震波,我们不仅能知道地震在什么地方发生,还能知道地震波在地球内部各地的传播波速。基于这些研究,就像医学计算机断层扫描(CT)成像一样,我们也能给地球进行声波波速的CT成像,获得地球内部三维的波速结构,从而知道哪些地方波速快,哪些地方波速慢。例如,有些俯冲板块会在地幔过渡带滞留,而有些板块则俯冲到下地幔;太平洋和非洲下面的核幔边界存在两个低速区,其面积堪比非洲,有几百到上千千米高;核幔边界处还有很多超低速小区域,其波速比周围低很多。

是什么原因导致有些地方波速快,有些地方波速慢呢?要回答这个问题,就需要对高温高压矿物物性进行研究。如果知道各种矿物在地球内部高温高压条件下的波速,我们就能通过回答什么样的矿物聚合体能产生地球内部的波速来获得地球内部成分温度的信息,解读地震学的各种结果,分析波速快慢的成因。这方面的需求一直是高压科学的一个主要推动力,但因为地心压力可达360万个大气压,温度超过5000摄氏度,要在实验室中实现地球内部的温压条件很不容易,为此科学家们发展了多种装置来实现高压,包括多面顶大压机和金刚石对顶砧等(见图1)。

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大压机装置始于诺贝尔物理奖获得者珀西.W.布里奇曼(Percy W. Bridgman)等于20世纪发展的高压技术,通常能到达约30万个大气压(对应于下地幔的顶部)。金刚石对顶砧技术可以实现地球内核的温压条件。高压下样品的尺寸很小,对测量的技术要求高,需要长时间的测量才能得到比较可靠的矿物波速数据,这给同时在高温高压下的矿物波速测量带来了巨大的挑战。所以尽管已经能实现地球内部的高温高压环境,但矿物波速的实验数据主要是室温下的高压数据,还远不能满足我们对解读地震学结果、认识地球内部的需求。

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实际上,物性除了可以通过实验测量外,随着20世纪量子力学的发展、数值方法的进步以及计算能力的提高,我们还可以求解复杂材料的量子力学方程,直接计算材料的特性,这类方法叫做第一性原理计算(或者从头算起),方法基于密度泛函理论,计算过程不引入任何可调的经验参数,计算的结果可以与实验比拟,已经被广泛用于材料特性研究;但其对计算资源要求比较高,特别是高温下的弹性。我们研究团队发展了一个计算弹性的方法,其计算量不到常规方法的十分之一,有力地加速了高温高压下弹性数据的获取,通过近几年的努力,我们已经获得了多个地幔主要矿物的高温高压弹性,在一定程度上缓解了矿物高温高压弹性数据滞后的局面,利用这些弹性数据,我们对地球深部有了更深的理解,举例如下。

首先是铁方镁石弹性与下地幔中部不寻常的波速结构特征。在高压下,下地幔主要矿物铁方镁石中的铁会从有磁矩的高自旋态转变为没有磁矩的低自旋态,显著降其波速,但与其他矿物相变有一个明显的波速间断面不同,铁方镁石中的铁是逐渐从高自旋态过渡到低自旋态的,这非常不利于地震学观测。我们通过分析发现,自旋转变可在地震层析成像图中留下可观测的特征,例如它会导致纵波波速在约1750千米深度对温度变化不敏感,其后果就是起源于深部的地幔柱会在约1750千米深度中断,这样的现象已经在夏威夷等地多个热点下的纵波成像图中被发现,但一直没有得到很好的解释。

地幔热柱是起源于核幔边界的热物质上涌流,穿越整个地幔到达岩石圈底部,是板块运动的主要驱动力之一,能够解释地表热点轨迹、大火成岩省形成等众多地质观测现象,因此直接证实地幔热柱是地球科学非常重要的一个课题,利用热物质波速慢的特点,地震学成像是目前观测地幔柱的主要手段。但实际观测发现,多个地幔柱在约1750千米深度波速并没有明显变慢,即上涌热物质在这个深度左右突然变得不热了,这是一个很难理解的现象,并且也与地幔柱的概念有冲突。而我们的研究表明,上涌物质其实还是热的,只不过自旋转变下纵波波速在这个深度对温度变化不敏感,使人产生了温度不高的错觉(见图2),我们的工作给地幔柱模型提供了强有力的支持。由于找到了识别自旋转变的特征,可以预期自旋转变势必会像橄榄石系列相变、后钙钛矿相变一样,有力地促进对地球内部结构的认识。

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其次,我们利用获得的弹性数据限定了下地幔的成分。目前有两大流行的地幔成分模型:一是地幔岩模型,A.E.林伍德基于板块运动理论,通过回答什么样的成分能熔融形成洋中脊玄武岩以及橄榄岩残余,得出上地幔是由3份橄榄岩加1份玄武岩构成的,这就是著名的地幔岩模型;二是碳质球粒陨石地幔模型,该模型根据碳质球粒陨石估计地球形成之初的成分,考虑了地球演化对成分的影响。下地幔主要由布里奇曼石、铁方镁石和钙硅酸盐钙钛矿3种矿物组成,地幔岩模型比碳质球粒陨石地幔模型含有更多的铁方镁石,我们通过弹性数据发现,由以上3种矿物组成的聚合体的波速和密度可与地震学的主要参考地球模型(PREM)相符合,相对偏差可以小于0.5%;下地幔的铁方镁石含量比碳质球粒陨石地幔模型中的多,但比地幔岩模型中的少。

通过不同手段从不同角度探索研究,我们正在抽丝剥茧般地揭开深藏在地球内部的秘密,地球内部在我们的眼中也将越来越清楚。未来我们将能更好地理解地表发生的各种地质现象,实现人与地球的和谐共处。

致谢:感谢国家973计划课题“基于计算矿物物理学的地幔及地核物性研究”(课题编号:2014CB845905)的支持。 

作者:吴忠庆(吴忠庆,中国科学技术大学地球和空间科学学院教授,博士生导师。主要研究领域为:第一性原理计算研究材料在高温高压下的物性。近年来系统地研究了地幔主要矿物的弹性性质,结合地震学结果探索地球内部物质组成等,发展了多个第一性原理物性计算的新方法。)

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