新结果揭示了地球深处矿物的惊人行为

当您正在阅读本文时，在您下方 400 多英里处是一个巨大的极端温度和压力世界，这个世界一直在搅动和进化，其时间比人类在地球上存在的时间还要长。现在，来自加州理工学院研究人员的一个详细的新模型说明了数百万年来地球内部深处矿物的惊人行为，并表明这些过程实际上以与先前理论完全相反的方式发生。

该研究由国际科学家团队进行，其中包括 Jennifer M. Jackson、William E. Leonhard 矿物物理学教授。一篇描述这项研究的论文发表在 1 月 11 日 的《自然》杂志上。

“尽管地球面积巨大，但更深的部分常常被忽视，因为它们实际上是遥不可及的——我们无法对它们进行采样，”杰克逊说。“此外，这些过程非常缓慢，我们似乎无法察觉。但下地幔中的流动与其接触的一切进行交流;它是一个影响板块构造并可能控制火山活动的深层引擎。”

行星的下地幔是坚硬的岩石，但在数亿年的时间里，它像厚厚的焦糖一样慢慢渗出，通过称为对流的过程将热量带到行星内部。

关于允许这种对流发生的机制，许多问题仍未得到解答。下地幔的极端温度和压力——高达 135 吉帕和数千华氏度——使得在实验室中进行模拟变得困难。

作为参考，下地幔的压力几乎是海洋最深处压力的一千倍。因此，虽然许多关于矿物物理学的实验室实验已经提供了关于下地幔岩石行为的假设，但在地质时间尺度上发生的驱动下地幔对流缓慢流动的过程一直不确定。

下地幔主要由称为 bridgmanite 的硅酸镁组成，但除了少量其他矿物外，还包括少量但大量的氧化镁，称为方镁石，混合在 bridgmanite 中。之前的实验室实验表明，方镁石的强度低于布里奇曼石，更容易变形，但这些实验并未考虑矿物在数百万年时间尺度上的行为。当将这些时间尺度纳入一个复杂的计算模型时，Jackson 及其同事发现方镁石颗粒实际上比它们周围的布里奇曼石更坚固。

“我们可以在摇滚唱片中使用 boudinage 的类比[右图]，其中 boudins 在法语中是香肠的意思，在较不称职的“较弱”摇滚中形成一个刚性的“更强”的摇滚层，“杰克逊说。

“作为另一个类比，想想厚实的花生酱，”杰克逊解释道。“几十年来，我们一直认为方镁石是花生酱中的‘油’，在较硬的布里奇曼石颗粒之间起着润滑剂的作用。根据这项新研究，事实证明方镁石颗粒是粗花生中的‘坚果’黄油。方镁石颗粒只是随流而去，但不影响粘性行为，除非在颗粒高度集中的情况下。我们表明，在压力下，方镁石与布里奇曼石相比，流动性要慢得多。存在一种行为反转: 方镁石几乎不变形，而主要相 bridgmanite 控制地球深层地幔的变形。”

了解在我们脚下发生的这些极端过程对于创建我们星球的准确四维模拟非常重要，它也有助于我们更多地了解其他行星。数以千计的系外行星(我们太阳系外的行星)现已得到确认，并且在极端条件下发现更多关于矿物物理学的信息，可以让我们对与我们的行星完全不同 的行星的演化有了新的认识。

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