地幔上的钻石窗口

某些最有用的线索来自对地下那些岩石性质的了解。为了查明地球深处那些岩石的状况，就必须复制那里令人难以置信的巨大压力。令人惊异的是，这种情形动动手指就能模拟：握住两颗优质的宝石级金刚石，用珠宝商的术语来说，其切工为“明亮型”，即每颗金刚石的顶部均有一个完全平坦的小切面。将一个微小的岩石样本置于两个小切面中间，然后用指旋小螺钉将两个小切面拧得更紧一些。两个金刚石砧之间的力非常集中，以至于仅仅拧动螺钉，产生的压力就会超过300万个大气压（300吉帕斯卡27）。金刚石是透明的，通过激光照射就可以对样本加热，也方便使用显微镜和其他设备来观测。这实际上可以作为一个窗口，让我们观察地幔深处的岩石的状况。

一天，比尔·巴西特教授在康奈尔大学的实验室里研究金刚石砧上的一个微小晶体。当他提高压力时，没有发生什么变化，于是他决定先去吃午餐。正要离开，忽听到砧上传出突如其来的爆裂声。显然，他的宝贝金刚石碎了一颗，他冲回去在显微镜下仔细观察。钻石安然无恙，但样本突然变成了一种全新的高压晶体形式。这就是所谓的相变：组分依然，但结构发生了变化——在该例中，变成了更加致密的晶格。

从捕虏岩的组分我们知道，至少上地幔是由橄榄岩等岩石组成的，其中富含镁铁硅酸盐矿物橄榄石。把这种岩石的微小样本放在金刚石砧中间加压，它就会经历完整的一系列相变。在相当于410公里地幔深处所受的大约14吉帕斯卡的压力之下，橄榄石变形成一种名为瓦兹利石的新结构。在相当于地下520公里、18吉帕斯卡的压力下，它又发生了形变，变成了林伍德石，一种尖晶矿石的形式。然后，在23吉帕斯卡，相当于地下660公里所受的压力之下，会变成两种矿物：一种是钙钛矿，另一种是名为镁方铁矿的镁铁氧化物矿物。我们会注意到，相变发生的深度恰恰是可以反射地震波的地方。因此，这些地层或许可以表示晶体结构的变化，而非组分的变化。