地球内部是什么样子？
长期以来，科学家通过测量深部地震波波速、高温高压实验模拟等手段，试图“看”清地球内部构成。他们发现，在地球深处某些地方，地震波波速会突然跃增。就像声音在不同介质中的传播速度不同，科学家推测这或许与矿物相的改变有关。于是，凭借脑洞和科学数据，地学界逐渐形成了现有的地幔矿物学模型。
然而，最近中国科学家的一项“叛逆”推测，可能会让学界重新分析地震波波速突然跃增的成因，并重新考量地幔矿物学模型。
“林伍德石”与一个不像问题的问题
20世纪，澳大利亚学者泰德•林伍德在解释地震波波速突然跃增时提出，高温高压下橄榄石会发生改变，并在地幔过渡带下部520公里至660公里处转变为一种特殊矿物，从而影响地震波波速。人们将其称为“林伍德石”。科学家认为，研究林伍德石结构及物理化学性质等问题有助于完善地球地幔矿物学模型，了解地球内部520公里至660公里处地震波波速突然跃增的成因。
在诸多科学问题中，有一个看起来不是问题的问题：林伍德石中阳离子占位的无序性。该石具有典型的尖晶石型结构，包含氧原子和另外两种阳离子。氧原子形成晶体的“储物架”，原子间的缝隙为两种阳离子提供了四面体、八面体两种空间。常温常压下，两种阳离子会各自有序地待在自己的空间，但遇到高温高压，它们就会不“安分”起来，部分原本在四面体里的离子会趁机跑进八面体，同时部分原在八面体里的离子会跑到四面体中，由此，无序状态出现，晶体的物理化学性能也随之变化。
过去半个多世纪里，就像公认的“1+1=2”一样，科学界认为林伍德石里的硅离子和镁离子一直会很“乖”。在此基础之上，现有的地幔矿物学模型建立起来。
意外！硅离子去哪儿了？
最开始，北京大学地球与空间学院刘曦团队并未打算研究林伍德石的无序问题。当时，他们在中科院战略性先导科技专项（B类）、科技部国家重点研发计划项目等的支持下，研究含碳地幔橄榄岩、榴辉岩等在地球内部的熔化过程。项目设计了一系列高温高压实验，很偶然地在不同温压条件下合成一批硅含量不同的镁铝尖晶石。刘曦突发奇想跟硕士生刘丽萍说：“既然含硅，不如我们测一下吧，看看硅到底在什么位置上。”
图1 合成含硅尖晶石及对照组拉曼光谱特征（图片来源：北京大学地球与空间科学学院网站）
刘丽萍的第一反应和大多数专业人士一样：“肯定是在四面体里啊！”可当她用拉曼光谱测试了样品，并与天然的无硅镁铝尖晶石、石英、合成的无硅镁铝尖晶石、柯石英和镁橄榄石等对照时发现，在较低温压下，尖晶石中的硅离子处在四面体位置。但随着温压升高，样品中硅氧四面体的拉曼谱峰竟明显变弱。硅离子去哪儿了？“如果不在四面体里，只能说明在更高温度压力条件下，它们去了八面体，也就是说，硅离子占位变得无序了。”刘丽萍说。
经过计算，他们发现，高温高压下，尖晶石中硅的占位已达到完全无序状态，无序程度达66.7%。由此，他们推测，在同为尖晶石结构的林伍德石中，硅离子占位很有可能也存在高度无序的情况，只是人类至今尚未直接测到而已。
“已有理论研究表明，若无序程度为12.5%，地震波波速将减少3%至5%。所以，如果高温高压下的林伍德石会出现高度无序状态，如66.7%，那么地幔矿物学模型就需要被重新考量。”刘曦说。
图2 合成含硅尖晶石硅氧四面体拉曼相对峰强变化（图片来源：北京大学地球与空间科学学院网站）
“叛逆”成果背后的波澜
论文5月12日在《矿物质》杂志发表后，就引起了广泛关注。虽然由于研究结果太过“叛逆”，投稿过程颇为坎坷。但在今年4月，他们把论文发给《矿物质》后，收到的四位匿名同行专家评审建议之一写道：
“这篇论文提高了学界对林伍德石中硅镁无序的认识，其研究方法属于历史首次，且研究采用的多元方法很好地说明了林伍德石的结构无序以及类似矿物的化学差异。”
该团队将进一步研究林伍德石离子占位无序程度与温度、压强间的函数关系。
《中国科学报》（2018-05-21 第4版 综合）
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