地球內部是什麼樣子？這是人們早就有的好奇。
長期以來，科學家通過測量深部地震波波速、高溫高壓實驗模擬等手段，試圖“看”清地球內部構成。很快，他們發現，在地球某些深處，地震波波速會突然躍增。就像聲音在不同介質中的傳播速度不同，科學家推測，這或許與礦物相的改變有關。於是，憑藉腦洞和科學數據，地學界逐漸形成了現有的地幔礦物學模型。
然而，最近中國科學家的一項“叛逆”推測，可能會讓學界重新分析地震波波速突然躍增的成因，並重新考量地幔礦物學模型。（論文鏈接）
一個不像問題的問題
20世紀，澳大利亞學者泰德·林伍德（1930—1993）在解釋地震波波速突然躍增時提出，高溫高壓條件下橄欖石會發生改變，並在地幔過渡帶下部520公里至660公里處轉變為一種特殊礦物，從而影響地震波波速。後來，人們將這種“特殊礦物”稱為“林伍德石”。
科學家認為，研究林伍德石結構及物理化學性質等問題，會有助於完善地球地幔礦物學模型，瞭解地球內部520公里至660公里處地震波波速突然躍增的成因。
同時，林伍德石是強衝擊變質作用的標誌性礦物，廣泛出現在各種隕石中，研究其性質，可以有效指示衝擊的溫壓條件、持續時間、衝擊規模等，結合宇宙年代學等資料，可以揭示太陽系的早期演化歷史。
在諸多科學問題中，有一個看起來不是問題的問題，即林伍德石中陽離子佔位的無序性。
林伍德石具有典型的尖晶石型結構，這一結構包含氧原子和另外兩種陽離子。氧原子形成晶體的“儲物架”，原子間的縫隙為兩種陽離子提供了四面體、八面體兩種空間。
常溫常壓下，兩種陽離子會各自“乖乖”、有序地待在自己的空間，但遇到高溫高壓，離子們就會不“安分”起來，部分原本在四面體裡的離子會趁機跑進八面體，同時，部分原本在八面體裡的離子會跑到四面體中，由此，無序狀態出現，晶體的物理化學性能也隨之變化。
過去半個多世紀裡，就像大家公認“1+1=2”一樣，科學界認為林伍德石裡的硅離子和鎂離子一直會很“乖”。在此基礎之上，現有的地幔礦物學模型建立起來。
“一方面囿於思維定式，另一方面，與鎂鋁尖晶石不同，林伍德石無序狀態更不易保存，溫度、壓強一旦下降，離子佔位會迅速回歸有序，所以也的確很難直接觀察到無序現象。於是，林伍德石的硅鎂無序不大受關注。”北京大學地球與空間學院研究員劉曦說。
意外！硅離子去哪了？
最開始，劉曦和他的團隊並沒有打算研究林伍德石的無序問題。當時，他們在中科院戰略性先導科技專項（B類）、科技部國家重點研發計劃項目等的支持下，研究含碳地幔橄欖岩、榴輝巖等在地球內部的熔化過程。
為了完成研究，項目設計了一系列高溫高壓實驗，很偶然地在不同溫壓條件下合成出了一批硅含量不同的鎂鋁尖晶石。
看著這些含硅鎂鋁尖晶石，劉曦突發奇想地跟碩士研究生劉麗萍說：“既然含硅，不如我們測一下吧，看看硅到底在什麼位置上。”
當初，劉麗萍的第一反應和大多數專業人士一樣：“肯定是在四面體裡啊！”
可是，當劉麗萍用拉曼光譜測試了樣品，並與天然的無硅鎂鋁尖晶石、石英、合成的無硅鎂鋁尖晶石、柯石英、斯石英和鎂橄欖石等對照時發現，在較低的溫壓條件下，尖晶石中的硅離子處在四面體位置。但是，隨著溫壓條件的升高，樣品中硅氧四面體的拉曼譜峰竟明顯變弱。
硅離子去哪了？“如果不在四面體裡，只能說明在更高的溫度壓力條件下，它們去了八面體，也就是說，硅離子佔位變得無序了。”劉麗萍說。
經過他們計算，高溫高壓下，尖晶石中硅的佔位已經達到了完全無序的狀態，無序程度達到了66.7%。就這樣，硅的“群體叛逃”行為，被劉曦、劉麗萍等人“逮”住了。
由此，他們推測，同為尖晶石結構的林伍德石中，硅離子佔位很有可能也存在高度無序的情況，只是人類至今還沒有直接測到而已。
“在假設林伍德石中存在無序現象的基礎上，已有理論研究表明，若無序程度為12.5%，地震波波速將減少3%至5%。所以，如果高溫高壓下的林伍德石會出現高度無序狀態，如66.7%，那麼，地幔礦物學模型就需要被重新考量。”劉曦說。
“叛逆”成果背後的波瀾
不出劉曦預料，論文一發表，就引起了廣泛關注。5月12日，論文正式發表在國際礦物學雜誌Minerals上。截至5月18日，該成果在Minerals雜誌官網上的瀏覽次數已達225次，下載量126次，雜誌的官方推特還專門推送了此篇論文。
其實，由於研究結果太過“叛逆”，這篇論文的投稿過程頗為坎坷。“之前投了三四家期刊，基本都被編輯一棒打死，連被送給同行科學家評審的機會都沒有，令人非常沮喪。”劉麗萍說。
直到今年4月，他們把論文發給了Minerals，很快他們就收到了四位匿名同行專家的評審建議。
四位匿名評審的意見以正面評價為主。其中一位匿名評審專家在評審意見中如是寫道：“這篇論文提高了學界對林伍德石中硅鎂無序的認識，其研究方法屬於歷史首次，且研究採用的多元方法很好地說明了林伍德石的結構無序以及類似礦物的化學差異。”
論文評審專家提出的質疑，得到了來自劉曦團隊的回應。例如，一位評審專家建議他們從論文標題中刪去推理性描述，認為林伍德石和鎂鋁尖晶石的穩定條件有差異，推理時應尤為謹慎。劉曦回應稱，廣泛堅實的數據和嚴密的推理都是科學研究非常重要的組成部分，有助於進一步推動相關研究。
“我國科研條件尚無法支撐我們在林伍德石穩定的溫度壓力條件下直接做相關實驗，但這篇論文發出來之後，一定很快會有國外研究團隊對這一推論進行驗證。”劉曦說。
劉曦告訴記者，這項研究成果，一方面要求學界重新審視過去的很多實驗數據及其解讀，另一方面也指明瞭未來還有很多可以嘗試的方向。接下來，科研團隊還會進一步研究林伍德石離子佔位無序程度與溫度、壓強間的函數關係。
“我們目前的研究成果只是播下了第一粒種子。”劉曦說。
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