對于我們腳下500公里的地球深處，你了解多少？加拿大阿爾伯塔大學(xué)的Pearson教授最近在《自然》上發(fā)表的論文會讓我們大吃一驚。作者通過X射線衍射、拉曼衍射、紅外光譜等材料分析技術(shù)研究了一個來自地幔過渡帶(距地表410-660公里處)的罕見礦石樣品——尖晶橄欖石。他們的工作成果表明該樣品富含水，同時支持了過渡帶是含水區(qū)域的假說。

尖晶橄欖石 　　

對于橄欖石，或許我們并不陌生，它的主要成分是鐵或鎂的硅酸鹽。然而，尖晶橄欖石卻鮮為人知。尖晶橄欖石是在地幔500~660公里處，可以承受高溫高壓的一種高壓多晶型橄欖石，以澳大利亞的地質(zhì)學(xué)家Ted Ringwood命名。早在上個世紀，對于地震的觀察表明地震波在某些不連續(xù)帶會突然改變，Ted Ringwood首先提出這一觀點：這些不連續(xù)是由于礦物橄欖石的相變化，這些橄欖石是上地幔的重要組成部分。這些變化會引起高壓相，其中就包括被稱為尖晶石結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)。后來，人們陸續(xù)在隕石中發(fā)現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu)。

尖晶橄欖石的位置

然而，到目前為止，沒有人見過來自地幔的尖晶橄欖石，盡管地球物理學(xué)家們都確信它一定存在。一方面，來自過渡帶低地幔的樣品非常罕見，只能在為數(shù)不多的罕見鉆石中找到；另一方面，即使是在一個鉆石內(nèi)部，隨著鉆石從地表升起，它的內(nèi)部壓力逐漸降低，很自然，尖晶橄欖石會變成橄欖石。即便如此，在Pearson教授和他同事共同研究的鉆石中，尖晶橄欖石還是保持了它原來的結(jié)構(gòu)。這是一個驚人的發(fā)現(xiàn)，同時也表明該鉆石移動到地表的速度極其地快，這很可能是過渡帶巖漿產(chǎn)生的火山爆發(fā)引起的。

尖晶橄欖石的位置

地幔與地震 　　

乍一聽，地幔這個名字會讓人感覺不知所云，但是，接著看下去，便會云開霧散。地殼下面是地球的中間層，叫做“地?！?，厚度約2900公里，化學(xué)成分主要是含鐵鎂的硅酸鹽(即橄欖石)，占地球體積的83%，總質(zhì)量的68%，這是地球內(nèi)部體積最大、質(zhì)量最大的一層。地?？煞譃樯系蒯：拖碌蒯＿@兩層，有時也分為上地幔，下地幔，過渡帶。

地殼結(jié)構(gòu)

單一的研究地?；蛟S太過空洞，缺乏實際意義，但是，當把地幔的構(gòu)造與地震聯(lián)系起來，將會為我們在防范災(zāi)害面前指引方向。有科學(xué)家認為深源地震(震源深度超過300公里)很可能由于地幔中礦物—橄欖石發(fā)生相變引起的。相變是指物質(zhì)在溫度，壓力等外部參數(shù)發(fā)生連續(xù)變化時，從一種相態(tài)變成另一種相態(tài)的過程。

相變

一個由法國和美國研究人員組成的研究小組在《科學(xué)》上發(fā)表的期刊稱他們借助同步加速器輻射和聲學(xué)、材料領(lǐng)域的高端科技，在實驗室成功模擬了深源地震發(fā)生的過程。此外，他們模擬地幔深處持續(xù)的高溫高壓環(huán)境，并且在此條件下，觀察到在由橄欖石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變到尖晶橄欖石結(jié)構(gòu)的過程中會發(fā)生化學(xué)鍵斷裂，并形成新的晶核。這些鍵的斷裂擴散極快，同時快速釋放能量，產(chǎn)生彈性波。有了這些知識，你能想到一些監(jiān)測地震的方法嗎？

地表500公里深處的秘密 　　

或許你還對《地心游記》這部經(jīng)典科幻作品記憶猶新。一談到地球內(nèi)部的構(gòu)造，很自然地就聯(lián)系到電影里面的場景。電影里面，地球內(nèi)部存在著波濤洶涌的海洋，怪異的史前動物，遠古的原始森林還有巨大的蘑菇林。雖然這些描寫奇異怪誕至極，但就目前看來，這種情況也不是毫無可能。

電影《地心游記》

近日，Pearson和同事得到了一塊來自地幔過渡帶的礦石樣品。通過紅外光譜分析，他們發(fā)現(xiàn)該樣品的紅外光譜中-OH基團的吸收峰和那些人工合成的含水量大約1%~2%的樣品吸收峰驚人的相似。也就是說，這些樣品的含水量相當于1%~2%。如果這個樣品可以代表整個過渡層底部，520~660km間，該礦石又是穩(wěn)定的，那么地幔將會蘊含總量達1.4×1021kg的水，相當于所有地球上海洋含量的總和。換句話說，它就是地球內(nèi)部的海洋，正如凡爾納在他的小說《地心游記》里所描述的那樣，盡管不是以液態(tài)水存在，而是以-OH集團存在于不尋常的礦石中。換句話說，地下的水只是“半成品”，要想把它變成真正的液態(tài)水，我們還需要對它進行“加工”。假如地下真有這么多的水，我們該用何種方法把它利用起來呢？

“半成品”的地下水

這項發(fā)現(xiàn)在一定程度上支持了過渡帶含水的假說，但是，在某些方面，我們還不能完全確定地下水的含量。因為用尖晶橄欖石的單一樣本推斷地下水的規(guī)模可能不一定正確。同時，該實驗樣品不一定具有代表性，很有可能潮濕的尖晶橄欖石只是一個特例，不能代表整個過渡帶里其他橄欖石的真實狀況。然而，基于這個樣品，不含水或含水較少的過渡帶模型似乎有些不太可能。這些過渡帶的水究竟從何而來呢？按照地質(zhì)學(xué)的一些基本原理，這些水很有可能是在板塊移動過程中被吸到地表深層而聚集起來，也有可能是在地球形成階段就已經(jīng)存在，而那些含水的尖晶橄欖石很有可能就是在火山噴發(fā)時被推倒地表而存留下來。

或許有一天科幻電影會成真

這一重大發(fā)現(xiàn)具有深遠意義，試想一下，如果地殼下存在這么多水，一定會對巖漿運動和板塊移動產(chǎn)生重大影響。你能預(yù)測一下，這些影響會在哪些方面嗎？同時，這會對研究火山爆發(fā)，地震指引方向。地球是這樣一個動態(tài)星球的眾多原因之一就是地球內(nèi)部含有一些水，水能改變一個星球所有的運作方式。 　　

無論如何，關(guān)于地幔含水的研究又進了一步，究竟地幔里含水多少，具體以何種形式，如何把它們利用起來，還需要科學(xué)家們進一步的探討。