钻石尖的人造地心压力

钻石尖的人造地心压力

作者：哈里·莱文（Harry LeVine）

译者：闫海利

我们脚下的地面，看起来坚固可靠，实际却不然。包裹地球的外层——地壳每时每刻都在运动。大陆板块每年以1～10厘米的速度移动着。为什么造成这种现象？地表之下有什么呢？要获得这些问题的答案，就需要思考地球的组成和内部结构。

从地震波到地球的内部结构

我们如何知道地球的内部结构呢？也许地球本身的活动可以给我们提供线索。

全世界每天平均有40次4.0级以上的地震，地震的冲击波可以穿过岩石，传播数千米。如果把地球比喻成一口钟，一场大地震的发生，就像是敲动了这口钟，因振动形成的能量波向四面八方传开，随震颤的停止而消散。这些穿过地球内部的波或许能告诉我们答案。

19世纪末，英国人约翰·米尔恩（John Milne）在研究日本地震的过程中发明了一种新式地震仪。它不仅能告诉大家地震的发生，还可以将一场地震中的地面移动记录下来。从记录的数据中，米尔恩发现了地震会产生两种不同形式的波动。

到了1906年，在喜马拉雅山研究地震的理查德·迪克森·奥尔德姆（Richard Dixon Oldham）更清晰地识别出了三种不同的地震波。当一次地震发生时，你在某处会在不同时间接收到三段波动的信息。这也是我们现在所知的三种地震波：纵波、横波和面波。面波是在地球表面引发和传播的一种波动，纵波和横波是在地球内部传播的波动。

奥尔德姆将他的观察和波在不同介质中传播速度不同的理论联系在一起。地震发生的时间和某地接收到地震波的时间之间的间隔对应的是地震波传播的距离，当他把更多的地震、更多的观测台收集到的地震波数据放在一张坐标图中时，他发现以震中为度，从离开震中150度的位置开始，横波传播的模式出现显著的变化，而大于150度的方位接收到的地震波正是穿过地心的波，他的结论就是地球存在一个和它的表面材料完全不同的核心。他的推测也被后来的科学家证明。

▲　上图是纵波。纵波的质点振动方向（红色箭头）与传播方向（紫色箭头）一致，纵波使地面发生上下振动，破坏性较弱下图是横波。横波的质点振动方向与传播方向垂直，横波使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强

▲　宾诺·古登堡发现地球存在一个地震波横波的阴影带（以震中为0°、离开震中110°以上的区域），在这个阴影带里横波都被挡住了

1914年，宾诺·古登堡（Beno Gutenberg）在研究一次地震中发现，在地下约2900千米处纵波的速度明显下降，横波完全消失，发生变化的位置正是地幔与地核的分界层。1936年，地震学家戴恩·英奇·雷曼（Dane Inge Lehman）发现地下5100千米处纵波急剧加速，横波重新出现，是地震波由液体进入固体的反映，便提出地核分为两层：固态的内核和液态的外核。

地球最深层的极端环境

从19世纪后半叶到20世纪初，科学家通过地球的总体质量和形状，以及引力异常和地震资料数据，推测出地球内部的三层结构——地壳、地幔和地心，地球内部的密度随深度的增加而增加。

了解地球内部结构可以帮助我们预测地震、火山喷发等灾害，也可以帮助我们探测地下矿物、能源等资源的位置及可用性。不过，最令人沮丧的是，秘密就在脚下，但你却触不可及。有时，火山喷发可以带出一定深度地球内部的物质样本。但是要想得到地球深处的矿物非常困难。天然的库鲁伯亚拉洞穴深约2千米，南非的姆伯尼格（Mponeng）约4千米，人类最深的科学钻孔12.262千米，而这些对于平均半径6371千米的地球，它们只能算插在表面的“针刺”。

地球深处有着令人难以置信的高温、高压环境，这让科学家对地球深处的探索性实验进展非常缓慢。在地核内，随着深度的增加，温度和压力也都相应增加，地核中心的压力达350万个大气压，而地核的温度比太阳表面还热，为6000℃左右。维持这么高的温度所需的能量主要来自放射性物质的衰变，以及地球刚形成时的最初热量——原始地球和其他天体在高速碰撞时所产生的热量。只有偶尔的火山喷发才会让我们想起深埋地表之下的高温“熔炉”。

早期的高压实验

地球物理学家希望通过矿物结构变化来模拟地球内部结构，但由于缺乏深层地质样本，只能寻找其他办法，一个方法就是在实验室中模拟高温高压极端环境，尤其是高压环境。高压能够导致物理状态的变化，比如，加压可以让水在室温下就变成冰，气体变成液体、固体，甚至是金属。

珀西·威廉姆斯·布里奇曼（Percy Williams Bridgman）是20世纪四五十年代研究高压下的物态变化的先驱之一。他设计的一种对砧装置可以创造10万大气压的高压环境。这种对砧装置利用的是一个基本的物理学原理：当压力作用在某一物体上时，作用面积越小，压强越大。想象一下，把一块石头摁进沙地或者厚厚的淤泥，大而平的石头是不容易被摁进去的；而同样大小但有棱有角的石头，就会很容易被摁进去。早期的对砧顶端面对面安装由碳化钨等坚硬材质做的尖顶，这是当时最硬的材料。人们利用布里奇曼的装置在晶体合成、在某一特定压力和温度下的物质变化有了新发现。

岩石中的矿物质会结晶，晶体内部的原子会按照一定的具体形式（晶格）排列。高压可以迫使原子改变原先的布局，形成一个更加紧密的格局。1959年，澳大利亚地球物理学家泰德·林伍德（Ted Ringwood）发现，在地球内部的高温、高压环境中，上地幔的矿物的原子会重新排列，形成更致密的晶体，比如，辉石、橄榄石会形成新的矿物——尖晶橄榄石。

▲　越靠近地球内部，压力越大，温度越高。在地幔与地核的交界处，压力和温度陡增

金刚石压砧

然而，即便是硬度极高的碳化钨，在当时的压力研究中也很快达到了极限，而在高压下监测样品的状态更是十分困难。美国国家标准局的阿文·范·法尔肯堡（Alvin Van Valkenburg）等人开始寻找不同的材料和设备来产生更大的压强。

金刚石是我们所知道的最硬的矿物，由碳元素组成（99.9％）。它形成于地球内部高温、高压的环境中，最耐挤压，化学性质稳定，可以数年不受腐蚀性盐和酸的侵蚀，还可以透过电磁辐射而传递热量，但是不能导电。金刚石也因此成为最早被生产出来的耐高压产品之一。现在，金属液压机在相对较低的压力和温度下就可以用石墨（一种非结晶形式的碳），甚至是花生酱（含碳）生产出金刚石，通用电气公司已经生产出了数百吨工业用的金刚石。

于是，金刚石就出现在布里奇曼式压砧结构的顶端。金刚石的集中着力点只有10～20微米大小，拿头发对比一下吧，你的一根头发都有100微米粗，金刚石压砧因此能够产生高达770万个大气压。另外，金刚石对电磁辐射的透过性可以帮助我们利用X射线检测到样品在高温高压的环境中发生的结构变化（X射线的晶体衍射）。

两块面对面的金刚石并不是直接碰触样品。在它们之间还有一个用中间钻孔的薄金属做的垫圈，它可以更好地密封金刚石表面的间隙，形成一个小样品室。样品室内会注入液氩这样的压力传递介质，避免金刚石相互接触或与样品直接接触。样品室内通常还会放入一块红宝石。它们起到非常重要的作用，就是告诉我们施加的压力是多少。红宝石的荧光光谱会随着压力增大而变化，通过观察这种变化，可以算出垫圈内的压强。

另外要注意的是，只有非常小的样品才能放到金刚石压砧里面。

一切材料准备就绪，我们就开始旋紧固定金刚石的螺丝吧，加压开始！

如果你想获得地球深处的另一个极端状态——高温，就还要利用红外激光为金刚石压砧加热。

突破125万个大气压

金刚石压砧可以帮助科学家模拟出地球深处的高温、高压环境，了解地球内部的构成。Fe-布氏岩（Febridgmandite）是下地幔中最常见的含铁矿物质。科学家通过一系列实验发现，当压强和温度升高至125万个大气压和3000℃时，也就是地表下2900千米处的环境时，Fe-布氏岩的结构会突然发生变化——原子排布得更加紧密。Fe-布氏岩密度的变化说明地球在这里发生了明显变化，这与前文提到的古登堡的理论相一致——地表下2900千米正是地幔和地核分界的位置。

▲　在显微镜下看到的纳米金刚石半球：透明球（左）和半透明球

雷曼曾通过地震波的变化提出地核是双层结构，外层铁液、内层铁芯。这个模型在当时违背了常识——温度升高时固体会熔化成液体，而地球内部的温度随深度的增加而升高，即理论上地核应该全部为液态。但是人们当时并不知道的是铁在高温高压下的熔化行为。这一研究需要科学家模拟出350万个大气压、6000℃的极端条件。2010年，希格科·塔特诺（Shigehiko Tateno）和同事在日本使用激光加热金刚石压砧的方法，实现了377万个大气压、 5427℃的条件，发现铁依旧保持固态，而处于较低压力的外核的铁却会熔化，这一结果支持了雷曼的模型。

现在，先进的金刚石压砧设计可以达到超越地核压力的水平。普林斯顿大学的托马斯·达菲（Thomas Duffy）在2012年实现了创造490万个大气压的高压条件，但他遇到了新的问题：压砧中的金刚石发生了变形。

德国拜罗伊特大学的列昂尼德·多波维奇（Leonid Dubrovinsky）和娜塔莉亚·达布罗温斯卡娅（Natalia Dubrovinskaia）夫妇所在的研究小组改进了金刚石压砧的设计，解决了金刚石变形的问题。他们使用由小于50纳米的微小纳米颗粒制成的纳米金刚石，制造了两个直径约12～20微米的纳米金刚石半球。将半球平坦的一面放置在金刚石压砧上，弯曲的一面与样品接触，这样接触的面积会更小，从而大大提高了压力极限。2015年，他们利用这个方法成功实现了770万个大气压的压力水平，而且纳米金刚石在这个压力下也没有变形；一年后，他们利用更小的半球形纳米金刚石又实现了1065万个大气压的压力水平。

对高压环境的极致追求可以帮助科学家了解太阳系中其他行星的结构。比地球更大的行星，如气体巨星木星和土星，内部的压力和温度都远超过地球。这种条件下，即使是地球上最常见的气体也会改变物理状态。木星的核心温度可以达到37000℃，压力是地球的10倍，这才是真正的超级大挤压！

为什么地心处的压强最大？

地球上的每一块物体，承受着地球引力，会产生重量，从而对其下面的物体施加压力。

在地面以下，重力因深度而不同，影响重力大小的是所在深度以下的地球质量（不是地球的总质量）。当然，影响的因素还有距离，也就是所在位置和地心的距离。

地球内部某一位置的物质受到的压力大小，决定于压在它上面一直到地表这个厚度的岩层质量，而压力就是这些岩石受到的地心引力的总和。当然，上面的岩石每一层所受到的地球引力都是不一样的，而且引力变化的规则也十分复杂，所以要用很复杂的公式来计算。

压强是单位面积上承受的压力。地心处压强最大，是因为这里承受了自地面到地心6371公里的单位面积岩石柱的全部压力。