難道地下500公里深處也有海洋？

對於我們腳下500公里的地球深處，你了解多少？加拿大阿爾伯塔大學的Pearson教授最近在《自然》上發表的論文會讓我們大吃一驚。作者通過X射線衍射、拉曼衍射、紅外光譜等材料分析技術研究了一個來自地幔過渡帶(距地表410-660公里處)的罕見礦石樣品——尖晶橄欖石。他們的工作成果表明該樣品富含水，同時支持了過渡帶是含水區域的假說。

尖晶橄欖石　　

對於橄欖石，或許我們並不陌生，它的主要成分是鐵或鎂的硅酸鹽。然而，尖晶橄欖石卻鮮為人知。尖晶橄欖石是在地幔500~660公里處，可以承受高溫高壓的一種高壓多晶型橄欖石，以澳大利亞的地質學家Ted Ringwood命名。早在上個世紀，對於地震的觀察表明地震波在某些不連續帶會突然改變，Ted Ringwood首先提出這一觀點：這些不連續是由於礦物橄欖石的相變化，這些橄欖石是上地幔的重要組成部分。這些變化會引起高壓相，其中就包括被稱為尖晶石結構的晶體結構。後來，人們陸續在隕石中發現了這種結構。

尖晶橄欖石的位置

然而，到目前為止，沒有人見過來自地幔的尖晶橄欖石，儘管地球物理學家們都確信它一定存在。一方面，來自過渡帶低地幔的樣品非常罕見，只能在為數不多的罕見鑽石中找到；另一方面，即使是在一個鑽石內部，隨著鑽石從地表升起，它的內部壓力逐漸降低，很自然，尖晶橄欖石會變成橄欖石。即便如此，在Pearson教授和他同事共同研究的鑽石中，尖晶橄欖石還是保持了它原來的結構。這是一個驚人的發現，同時也表明該鑽石移動到地表的速度極其地快，這很可能是過渡帶岩漿產生的火山爆發引起的。

尖晶橄欖石的位置

地幔與地震 　　

乍一聽，地幔這個名字會讓人感覺不知所云，但是，接著看下去，便會雲開霧散。地殼下面是地球的中間層，叫做「地幔」，厚度約2900公里，化學成分主要是含鐵鎂的硅酸鹽(即橄欖石)，佔地球體積的83%，總質量的68%，這是地球內部體積最大、質量最大的一層。地幔可分為上地幔和下地幔這兩層，有時也分為上地幔，下地幔，過渡帶。

地殼結構

單一的研究地幔或許太過空洞，缺乏實際意義，但是，當把地幔的構造與地震聯繫起來，將會為我們在防範災害面前指引方向。有科學家認為深源地震(震源深度超過300公里)很可能由於地幔中礦物—橄欖石發生相變引起的。相變是指物質在溫度，壓力等外部參數發生連續變化時，從一種相態變成另一種相態的過程。

相變

一個由法國和美國研究人員組成的研究小組在《科學》上發表的期刊稱他們藉助同步加速器輻射和聲學、材料領域的高端科技，在實驗室成功模擬了深源地震發生的過程。此外，他們模擬地幔深處持續的高溫高壓環境，並且在此條件下，觀察到在由橄欖石結構轉變到尖晶橄欖石結構的過程中會發生化學鍵斷裂，並形成新的晶核。這些鍵的斷裂擴散極快，同時快速釋放能量，產生彈性波。有了這些知識，你能想到一些監測地震的方法嗎？

地表500公里深處的秘密　　

或許你還對《地心遊記》這部經典科幻作品記憶猶新。一談到地球內部的構造，很自然地就聯繫到電影裡面的場景。電影裡面，地球內部存在著波濤洶湧的海洋，怪異的史前動物，遠古的原始森林還有巨大的蘑菇林。雖然這些描寫奇異怪誕至極，但就目前看來，這種情況也不是毫無可能。

電影《地心遊記》

近日，Pearson和同事得到了一塊來自地幔過渡帶的礦石樣品。通過紅外光譜分析，他們發現該樣品的紅外光譜中-OH基團的吸收峰和那些人工合成的含水量大約1%~2%的樣品吸收峰驚人的相似。也就是說，這些樣品的含水量相當於1%~2%。如果這個樣品可以代表整個過渡層底部，520~660km間，該礦石又是穩定的，那麼地幔將會蘊含總量達1.4×1021kg的水，相當於所有地球上海洋含量的總和。換句話說，它就是地球內部的海洋，正如凡爾納在他的小說《地心遊記》里所描述的那樣，儘管不是以液態水存在，而是以-OH集團存在於不尋常的礦石中。換句話說，地下的水只是「半成品」，要想把它變成真正的液態水，我們還需要對它進行「加工」。假如地下真有這麼多的水，我們該用何種方法把它利用起來呢？

「半成品」的地下水

這項發現在一定程度上支持了過渡帶含水的假說，但是，在某些方面，我們還不能完全確定地下水的含量。因為用尖晶橄欖石的單一樣本推斷地下水的規模可能不一定正確。同時，該實驗樣品不一定具有代表性，很有可能潮濕的尖晶橄欖石只是一個特例，不能代表整個過渡帶里其他橄欖石的真實狀況。然而，基於這個樣品，不含水或含水較少的過渡帶模型似乎有些不太可能。這些過渡帶的水究竟從何而來呢？按照地質學的一些基本原理，這些水很有可能是在板塊移動過程中被吸到地表深層而聚集起來，也有可能是在地球形成階段就已經存在，而那些含水的尖晶橄欖石很有可能就是在火山噴發時被推倒地表而存留下來。

或許有一天科幻電影會成真

這一重大發現具有深遠意義，試想一下，如果地殼下存在這麼多水，一定會對岩漿運動和板塊移動產生重大影響。你能預測一下，這些影響會在哪些方面嗎？同時，這會對研究火山爆發，地震指引方向。地球是這樣一個動態星球的眾多原因之一就是地球內部含有一些水，水能改變一個星球所有的運作方式。 　　

無論如何，關於地幔含水的研究又進了一步，究竟地幔里含水多少，具體以何種形式，如何把它們利用起來，還需要科學家們進一步的探討。

（作者:孟麗）

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