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原标题:9159com金沙网站:林伍德石中Fe,陨石还有什么用

浏览次数:131 时间:2019-05-04

为进一步研究林伍德石中离子占位的有序-无序问题,北京大学地球与空间学院的刘曦研究员、硕士研究生刘丽萍等创造性地设计了一系列的高温高压实验,在不同的温压条件下(3-6GPa,1500-1650℃)成功合成了不同硅含量的镁铝尖晶石。同时把天然的无硅镁铝尖晶石及石英、高压下合成的无硅镁铝尖晶石、柯石英、斯石英和镁橄榄石等设为对照组。拉曼光谱分析揭示:含硅尖晶石中出现了一系列的新峰(~610,823,856和968cm-1),这些峰与镁橄榄石中硅氧四面体的峰几乎完全一致;在较低的温压条件下(≤~3-4 GPa, 1500℃),尖晶石中的硅呈四次配位,而当温压升高时(≥~5-6GPa,1630-1650℃),硅进入八面体位置,并达到完全无序的状态。依据含硅镁铝尖晶石中硅的无序现象,可推断出同为尖晶石型结构的林伍德石也极有可能存在类似的硅占位无序情况,只不过这种硅的高无序状态在降温降压过程中没有保存下来。

为进一步研究林伍德石中离子占位的有序-无序问题,北京大学地球与空间学院的刘曦研究员、硕士研究生刘丽萍等创造性地设计了一系列的高温高压实验,在不同的温压条件下(3-6GPa,1500-1650℃)成功合成了不同硅含量的镁铝尖晶石。同时把天然的无硅镁铝尖晶石及石英、高压下合成的无硅镁铝尖晶石、柯石英、斯石英和镁橄榄石等设为对照组。拉曼光谱分析揭示:含硅尖晶石中出现了一系列的新峰(~610,823,856和968cm-1),这些峰与镁橄榄石中硅氧四面体的峰几乎完全一致;在较低的温压条件下(≤~3-4 GPa, 1500℃),尖晶石中的硅呈四次配位,而当温压升高时(≥~5-6GPa,1630-1650℃),硅进入八面体位置,并达到完全无序的状态。依据含硅镁铝尖晶石中硅的无序现象,可推断出同为尖晶石型结构的林伍德石也极有可能存在类似的硅占位无序情况,只不过这种硅的高无序状态在降温降压过程中没有保存下来。

中国科学家发表“叛逆”成果:地幔矿物可能另有其“型”

9159com金沙网站 1《复仇者联盟2》里美国队长用的盾,是用来自陨石的汎元素构成的某种特殊合金铸成的。除此之外,陨石还有什么用处呢?图片来源:hollywoodreporter.com

地幔过渡带最重要的两种矿物分别是瓦兹利石(410-520公里)和林伍德石(520-660公里),它们各自的体积分数在相应深度范围大约占60 vol%左右。高压实验和天然金刚石包裹体研究都表明林伍德石晶格结构中含有大量的水(至少1.5 wt.%),因此地幔过渡带被认为是地球内部水的主要储库。已有研究显示,即使微量水也会显著影响矿物岩石的物理化学性质,比如电导率、扩散、弹性等。铁和镁是地球及类地行星上元素丰度最高的两种元素之一,同时铁和镁在地幔矿物中的扩散速率相当快。因此,林伍德石中Fe-Mg的扩散行为将在很大程度上影响一系列地球内部各种动力学过程的时间和空间尺度,比如研究地幔物质成分的不均一性会引起地球物理性质的局部异常、地幔对流、俯冲板片在地幔过渡带内的滞留时空尺度、520/660公里间断面的相变与化学变化等重要科学问题。

如果地幔过渡带中的林伍德石呈高度无序状态,那么目前流行的上地幔矿物学模型、520及660公里的地震波不连续面等都需要重新考量。同时,由于林伍德石离子占位的有序-无序程度是温度-压力的函数,陨石中林伍德石的有序-无序程度可以反映天体碰撞过程的温度、压力、碰撞天体的大小与运行速度,为研究太阳系的早期演化等提供重要约束条件。

如果地幔过渡带中的林伍德石呈高度无序状态,那么目前流行的上地幔矿物学模型、520及660公里的地震波不连续面等都需要重新考量。同时,由于林伍德石离子占位的有序-无序程度是温度-压力的函数,陨石中林伍德石的有序-无序程度可以反映天体碰撞过程的温度、压力、碰撞天体的大小与运行速度,为研究太阳系的早期演化等提供重要约束条件。

地球内部是什么样子?这是人们早就有的好奇。

《复仇者联盟2》今日上映,美国队长再次登上舞台,继续拯救这个从没消停过一天的世界。

中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压重点实验室研究员张宝华课题组与日本冈山大学行星物质研究所教授Yoshino合作,在地幔过渡带下部温压条件(20 GPa、1373-1673 K)下,利用Kawai型大压机系统研究了水对林伍德石中Fe-Mg互扩散系数的影响。研究结果表明:林伍德石中Fe–Mg互扩散系数对Fe/Mg浓度变化显示出很强的依赖性;水对林伍德石中DFe-Mg的影响比较大(水指数r ≈ 0.25)。进一步模型计算显示:即使假设时间尺度为地球年龄,在地幔过渡带中通过Fe-Mg互扩散作用使化学非均质性均匀化的长度估计也只有几百米,因此地幔过渡带中俯冲板块物质非均一性能够长期保留;通过扩散系数计算得到的电导率数据与大地电磁观测结果对比揭示,大约0.1 wt.%的水就能够解释地幔过渡带下部观察到的高导电率异常。

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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。很快,他们发现,在地球某些深处,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。

尽管美式英雄从来不缺铁胆侠骨,但毕竟要“好马配好鞍”,好歹也得弄出点黑科技,总不能让英雄们寒碜着去拯救世界吧?于是,美国队长的手上,就水到渠成出现了一张画着星条图案的圆盾。根据设定,这面圆盾由含有汎(Vibranium)元素的一种特殊合金铸成。

上述成果发表在国际地学期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth上(Zhang B.H., Yoshino T., Zhao C. C., 2019. The effect of water on Fe–Mg interdiffusion rates in ringwoodite and implications for the electrical conductivity in the mantle transition zone. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 124, doi:10.1029/2018JB016415)。

图1 合成含硅尖晶石及对照组拉曼光谱特征

图1 合成含硅尖晶石及对照组拉曼光谱特征

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。

在漫威的世界里,汎并不是地球本土拥有的元素。上万年前,坠入南极洲的陨石意外将汎带到地球。在现代的一次南极科考中,人类探险队无意间发现了这种沉睡在冰层中的元素。适逢第二次世界大战,迈伦·麦克莱恩博士(Myron MacLain)受雇于美国军方,着手研究这种新元素的性能。他在无意间合成出一种能吸收冲击波、具有极高硬度的合金。这样的材料作为武器而言可算满分,但问题在于——连他本人都不知道自己是怎么搞出来的…… 结果便是,无法量产。言外之意,这注定只能成为英雄专用的黑科技,我们凡人就别指望染指啦!

该研究得到国家自然科学基金等联合资助。

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20世纪,澳大利亚学者泰德:林伍德(1930—1993)在解释地震波波速突然跃增时提出,高温高压条件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。后来,人们将这种“特殊矿物”称为“林伍德石”。

一本正经开脑洞着实过瘾,可是回到现实,我们真能指望陨石给地球带来新元素吗?显然不可能。首先,翻遍元素周期表,你也找不到哪个元素叫“汎”;其次,那些现实中存在的元素,也没有哪一个是首先从陨石中发现的。

论文链接

图2 合成含硅尖晶石硅氧四面体拉曼相对峰强变化

图2 合成含硅尖晶石硅氧四面体拉曼相对峰强变化

科学家认为,研究林伍德石结构及物理化学性质等问题,会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。

现实永远比故事更“荒谬”——在地球上,反而聚集着大量在目前观测到的宇宙范围内根本就不存在的稀罕元素。这些元素,甚至在超新星爆发级别的核聚变环境里都无法制造出来,为什么反而会在一颗微不足道的行星上富集呢?原因很简单——因为他们是人类的造物。我们这个已然掌握了聚变技术的文明,在创造元素这事儿上,已经走到了整个宇宙的前面。

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以上研究成果受到评审专家的高度评价,并已于2018年5月12号正式发表在国际矿物学新锐杂志Minerals上。该成果受到国际地学界的广泛关注(通过Minerals网站浏览的次数已达166次,通过Research Gate网站浏览的次数已达75次;2018年5月14号数据)。

以上研究成果受到评审专家的高度评价,并已于2018年5月12号正式发表在国际矿物学新锐杂志Minerals上。该成果受到国际地学界的广泛关注(通过Minerals网站浏览的次数已达166次,通过Research Gate网站浏览的次数已达75次;2018年5月14号数据)。

同时,林伍德石是强冲击变质作用的标志性矿物,广泛出现在各种陨石中,研究其性质,可以有效指示冲击的温压条件、持续时间、冲击规模等,结合宇宙年代学等资料,可以揭示太阳系的早期演化历史。

不仅送不来新元素,反而被地球人“羞辱”,陨石真就这样“窝囊”吗?不,陨石的故事可能比这还要精彩很多。它带不来新的元素,不代表它带不来地球罕见的星际结晶体。只要你愿意,甚至可以将一个远古星球的地核握在手心里仔细端详。当我们谈及太阳系的太初时刻,根本用不着去编造一些虚无飘缈的故事,陨石并不是历史的转述者,而恰恰就是历史本身。

图:利用扩散系数估算的地幔过渡带内俯冲板块的均一化程度与地幔过渡带可能的水含量

本研究受中国科学院战略性先导科技专项(B类)“地球内部过程与表层系统的联系”(No.XDB18000000),中国科学技术部国家重点研发计划项目“燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应”(No.2016YFC0600408)和中国科学技术部国家科技基础条件平台项目(2013FY110900-3)的资助。

本研究受中国科学院战略性先导科技专项(B类)“地球内部过程与表层系统的联系”(No.XDB18000000),中国科学技术部国家重点研发计划项目“燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应”(No.2016YFC0600408)和中国科学技术部国家科技基础条件平台项目(2013FY110900-3)的资助。

在诸多科学问题中,有一个看起来不是问题的问题,即林伍德石中阳离子占位的无序性。

9159com金沙网站 8太阳系里的所有天体,包括地球和陨石在内,都形成于原始的太阳系早期的原行星盘,因此陨石不可能给地球带来新的元素。图片来源:NASA

论文信息:Liping Liu,Xi Liu,Xinjian Bao,Qiang He,Wei Yan,Yunlu Ma,Mingyue He,Renbiao Tao,Ruqiang Zou,2018. Si-disordering in MgAl2O4-spinel at high P-T conditions, with implication to Si-Mg disorder in Mg2SiO4-ringwoodite. Minerals,8,210;doi:10.3390/min8050210.

论文信息:Liping Liu,Xi Liu,Xinjian Bao,Qiang He,Wei Yan,Yunlu Ma,Mingyue He,Renbiao Tao,Ruqiang Zou,2018. Si-disordering in MgAl2O4-spinel at high P-T conditions, with implication to Si-Mg disorder in Mg2SiO4-ringwoodite. Minerals,8,210;doi:10.3390/min8050210.

林伍德石具有典型的尖晶石型结构,这一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。

地球罕见的星际结晶

无论是天外世界还是地球本土,自然界的固体无机物,由宏观到微观,一般都被分为以下三级尺度:岩石、矿物、元素。既然故事从元素引出,那就先来看看最小的元素一级。

陨石无法带来任何新元素的根本原因在于,太阳系内一切岩石质的东西,都诞生于最初那个成分均一的原行星盘(Protoplanetary disc)。上一代超新星爆炸后留下了一片太初星云,后来星云发生质量坍缩,吸积成了太阳,剩余的旋转物质就围绕太阳形成原行星盘。

星云中最多的元素是氢(H)和氦(He)这些泛滥于整个宇宙的轻物质。它们一多、二轻,很快就率先聚合成太阳或者木星、土星等个头最大的天体。比氢和氦稍微少一点、重一点的,就是碳(C)、氮(N)和氧(O),它们以氢化物的形式存在,比如甲烷、氨和水,组成柯伊伯带物质,构成海王星和天王星等冰行星。

再然后,才轮到原子序数更大的那些元素。它们数量更少、密度更重、熔点更高,只能结晶形成固体。无论是地球还是整个太阳系,只要是块石头疙瘩,主要成分注定都是这些东西——氧(O)、硅(Si)、铝(Al)、铁(Fe)、钙(Ca)、镁(Mg),由多到少,依次排列。

对于这6种元素来说,它们的单质大多是不稳定的物态。虽然得益于工业生产,在生活中想找一块纯硅或者纯铝并不是什么困难的事情,但在自然界里,化学活性特别强的它们不可能以本来面目示人,只有根据各自的价态互相搭配,组成稳定化合物后,才具有赋存下来的资格。这些“自然界的固态化合物”,如果给个定义的话,便是所谓的矿物(Mineral)。

矿物的定义,便是这3个关键词,“自然的、固态的、化合物”。与矿产、矿石之类完全是不同概念上的东西。将上述6种元素随便取一些出来,根据化学规律组成合适的形式,往往就是人们常见的矿物。譬如,把硅和氧放在一起,就形成了石英(SiO2)。同理,把铁和氧组在一起,则能够组成赤铁矿(Fe2O3)或者磁铁矿(Fe3O4)。

当然,这里所举的例子有点简单。岩石圈是复杂的,有着不输于有机世界的多样性。和有机界的碳骨架一样,无机界同样有它自己的基础建材——[SiO4]4-,即所谓的“硅氧四面体单元”(silica tetrahedron)。这种四面体结构是大部分岩石的基础骨架。你可以把它们一个个摞起来,把它们圈成环,或者首尾衔接组成单链,甚至像DNA那样组成双链。一如碳链上添加不同的官能团就成为了不同的有机物,在硅氧四面体骨架上填上不同的阳离子,就形成了形形色色的硅酸盐矿物。硅酸盐是整个岩石世界的绝对主导者,无论地球,还是地外。

所以,想要新物质,不能从元素这级看——挖到根了,谁跟谁能不一样啊!只有在矿物这个层面上,陨石和地球岩石的巨大差异性才开始体现出来。人们实际调查了很多落入地球的陨石样本,发现里面确实有很多地球上极其稀有、甚至从未见过的新晶体相。比如知名的锥纹石(Kamacite, α (Fe, Ni))和镍纹石(Kaenite, γ (Fe, Ni))。(注意这两个例子的化学式,这可是个很重要的伏笔!)当然,不要指望能拿这些东西去做出坚不可摧的圆盾。

最讽刺的地方在于:陨石里很多所谓的“稀罕货”,其实是宇宙中很常见的物质,而反过来,在地表随处可见的成分,却往往是宇宙中真正罕见的东西。

就拿最常见的矿物之一 ——方解石(CaCO3)来说:在地球上,它是构成石灰岩或者大理岩的主要成分,到处都可以捡到;但放到宇宙中,方解石却是极其珍稀的物质。道理很简单:地球上有着一种近乎开挂一般的存在——生物。生物在地球上已经出现了30多亿年,它适应着环境,也深远地改造着环境,结果创造出一大堆本地独有的土特产。人类本身就是一种土特产,自然不会觉得身边的东西有什么稀奇。

从矿物的尺度再升一级,到第三个尺度——岩石,事情就更有趣了。陨石可不是普通的石块,那它们是什么呢?

9159com金沙网站 92011年在我国新疆发现的一块巨型铁陨石,可能是太阳系早期另外一颗原始行星的地核。图片来源:南方周末

背景介绍

背景介绍

常温常压下,两种阳离子会各自“乖乖”、有序地待在自己的空间,但遇到高温高压,离子们就会不“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,部分原本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。

握在掌心的外星地核

依然从地球说起。尽管人们普遍知道:地球内部可以划分出性质截然不同的3个圈层——地壳、地幔和地核,但时至今日,人们对地球内部结构的认知,却依然主要建立在间接证据(地震波)之上,没有一个人能实际看到地核长什么样子,更甭说触摸到它,或者取“一块地核”放到实验室去研究了。

倒不是人们不想来一场酣畅淋漓的地心游记,这实在是心有余而力不足。哪怕当下最深的科学钻探记录——前苏联的科拉超深钻,也不过才钻了区区12千米。这个距离连大陆地壳的一半都还没钻透,更不用提地壳下的地幔了——地幔的厚度,是地壳平均厚度的90倍!就算有一天千辛万苦终于钻透了巨厚的地幔,好的,里面还有一个地核在等着你。地核直径有多大呢?近乎于月球直径的两倍。

有趣之处在于,虽然无法触及地球自身的地核,人们却偏偏能够用最简单的方式,了解地外行星的核心长什么样子,甚至可以把它们放在手心里仔细端详。没错,它们就是陨石里非常独特的一种——铁陨石(Iron meteorite)。它们只占目前发现陨石含量的10%都不到,主要成分就是上面说的锥纹石和镍纹石——即自然的铁-镍合金。

陨石种类那么多,为什么科学家偏偏就认为铁陨石是古老的行星之核呢?

依然用地球本身来给这个故事复一下盘:首先,地球为什么会分层?地球内部的温度和压力极高,大量物质是半熔融,甚至全熔融的。在熔体里,成分迁移很容易。就好像把一杯掺有泥沙的水静置一段时间后总能根据密度分层一样,熔融的地球内部本质上就是这么一个大水杯。上面提到的6种元素里哪个最沉?当然是铁。于是,大量的铁沉入行星最深的地方,堆聚成硕大的铁核。

不仅地球如此,月球如此,火星也如此,所有成熟的岩石星球都如此。因此,高纯度的“铁疙瘩”,注定不可能像大部分小型小行星那样,由原始物质随机粘合成成分均一的石块(也就是球粒陨石,下文详述)。这些高纯度的铁镍合金,代表着大型星体进行过强烈的重力分异。

如果这还不够,想要更令人信服的证据,就去看一种更稀少,也是最漂亮的陨石类别——石铁陨石(Stony-iron meteorite)吧。它的基质,和铁陨石一样由铁构成,其中却镶嵌着一颗颗晶莹剔透的橄榄石,如同一块精致的糕点。翠绿透明、呈玻璃光泽的橄榄石,和质地厚重、银光闪耀的铁基质交相辉映,散发着这种地外物质神秘却又瑰丽的魅力。

9159com金沙网站 10原产于我国新疆地区的阜康陨石,在铁陨石基质中镶嵌着一颗颗晶莹剔透的橄榄石。这类石铁陨石,来自于另一颗行星地核与地幔的交界处。图片来源:link2universe.net

然而,它所代表的内涵,要比它的外观精彩太多。

还是回到地球这个参照物里,当行星分异过程中大量的铁沉入地核后,剩余的一些铁,连同镁一起,与硅氧四面体单元结合为一种优势硅酸盐,便是上面提到的橄榄石[Olivine, (Mg,Fe)2SiO4]。橄榄石比铁镍合金的密度小,只能漂浮在铁核之上,大量橄榄石和其他附属物质共同组成一个厚厚的圈层,便是那2700 千米厚的地幔。

人们发现,在地表有一些来源较深的熔岩流、侵入岩,或者沿断裂高位侵出的蛇纹岩里,往往掺杂一些零星的“捕虏体”,它的学名叫做方辉橄榄岩(Lherzolite),因为除了主要的橄榄石外,还有辉石(Px, Pyroxene)、尖晶石(Sp, Spinel)以及石榴石(Gt, Garnet),所以也被称为“四相地幔岩”(Ol Px Sp Gt)。这4种物相的组合在地表及其不稳定。根据实验推算,它们能够稳定存在的温压条件,只有地幔那种地方才提供得了。再加上它们确实也只见于来源较深的地质体中,因此这些捕虏体,就被视作是深源岩浆往地表上涌时,顺道从周围刮下来的地幔碎片。

正是这个结论,让人们最终敲死了铁陨石的来源。既然橄榄石代表着地幔,而铁镍合金代表着地核,那么赋存在石铁陨石里的这种橄榄石-铁镍合金共存的结构,不正是核幔的边界层(Core-Mantle Boundary)吗?石铁陨石,居然是古老行星核幔边界层的残骸。

整理一下这个故事——

当彼时的太阳系还只是混沌的原行星盘时,有一颗古老的原行星已经走过了漫长的吸积过程。它已经具有了足够的体积,产生了内部结构的分异。如果进一步发展,很可能就可以跻身未来太阳系几大行星之列。

然而事与愿违,在混乱的撞击中,和多数原行星体一样,它在互相之间的猛烈撞击中彻底结束了一生。裂痕从它的表层直接横贯它的核心,整个身躯都在冲撞中被炸得支离破碎,原本熔融的高温铁核碎片,被抛向冰冷的太空,而后瞬间凝固为固体。

这些残骸,就这样漫无目的地游荡,直到46亿年之后,有一天阴错阳差地与地球邂逅。地球用强大的引力把它俘获了进来。在与大气层的摩擦中,它重获了足以融化自身的温度——那是它似曾相识的温度,在46亿年前曾经燃烧过的温度。

然而,顽石终究不可能知道,在这个被当地人称为第四纪的时间节点上,它其实没有丝毫再次涅槃成为星球中枢的希望,只不过是一颗转瞬即逝的火流星,划下昙花一现的光芒后,在星野摄影师捕的镜头里,在天文台的监测报告里,在有幸看到它的人们许愿的眼神里,静寂在了大地的归宿。

原行星盘的残留古卷

在上面那个小故事里,为什么一口咬定时间就是46亿年前?这是因为,几乎大部分陨石都诞生于那个时代,或者应该说,46亿年这个数值,本身就是陨石告诉我们的。

和地球上的岩石一样,陨石的矿物晶格里,同样封存着各式各样的“同位素时钟”。因此,应用卢瑟福-索迪定律,利用热电离质谱仪(TIMS),利用高分辨离子探针(SHRIMP)——利用所有成熟的同位素测年技术,对陨石做一套同位素分析,就可以推算出它的年龄。人们已经取得了大量样本,统计发现所有陨石的年龄都主要集中于46亿年前后,散点可以往更近的年代偏一偏,但永远不会超过“4.6亿年前”这个标度——就好像一堵无形的墙树立在这个界限处似的。这堵“时间之墙”,就是整个太阳系在时间上的起点。

除了我们已经介绍过的铁陨石和石铁陨石,陨石中含量最丰富的类型,其实是石陨石(Stony meteorite)。石陨石中最主要的类别是球粒陨石(Chondrite),这种由一个个微小的矿物颗粒互相胶结而形成的结构,是原行星盘里无数小小微尘吸积作用的直观遗迹。这些吸积体本身似乎也不太大,自从聚合以来就没有变化过,至少没有进一步演化为行星。否则,就要像铁陨石、石铁陨石的前身那样产生重力分异了。

正是“没有变化过”这5个字,让研究地球演化的科学家高兴坏了。地球的成分从46亿年前形成至今,已经发生了翻天覆地的演化(主要是板块构造+生物在那儿捣蛋,包括人类)。而那些“没有变化过”的球粒陨石,恰恰给今天地球上的科学家研究地球岩石圈的演化,提供了最初原点时刻的珍贵样本。它们就如同被封装了46亿年的时间胶囊,将原始太阳系最初的模样,原原本本地透露给了我们人类。

9159com金沙网站 11用陨石来打造一块盾牌,是不是有些太暴殄天物了呢?图片来源:电影《美国队长2》

这就是陨石,比喻成游荡在太空中的原始博物馆也不为过。时间上,它陈列着太阳系原点的遗迹;空间上,它陈列着不可触及的星球核心;它的“馆藏”里,还有着地球上没有的新晶体。

现在,你有没有觉得,把这么个东西做成盾牌到处折腾,实在有点太暴殄天物了呢?其实,倒完全没必要这样想。毕竟,它们可是陨石,是流星燃烧都消化不掉的天体撞击。人家可从来都没当过拯救世界的盾,反而是一把足以毁灭世界的矛。

这事儿,白垩纪的恐龙可能有话要说。(编辑:Steed)

 

林伍德石(ringwoodite)作为地球地幔过渡带下部(520-660公里深度范围)的主要造岩矿物,其物理-化学性质对构建地球地幔矿物学模型、探讨地球内部主要地震波不连续面成因等有重要意义。此外,林伍德石作为强冲击变质作用的标志性矿物,也广泛出现在球粒陨石、月球陨石和火星陨石中,可以有效指示冲击的温压条件、持续时间、冲击规模等,结合宇宙年代学等资料,可以很好地揭示太阳系的早期演化历史。林伍德石的重要性引发了科学界的广泛关注,但由于样品的稀缺性、结构的不稳定性等特点,至今仍颇多争议。

林伍德石(ringwoodite)作为地球地幔过渡带下部(520-660公里深度范围)的主要造岩矿物,其物理-化学性质对构建地球地幔矿物学模型、探讨地球内部主要地震波不连续面成因等有重要意义。此外,林伍德石作为强冲击变质作用的标志性矿物,也广泛出现在球粒陨石、月球陨石和火星陨石中,可以有效指示冲击的温压条件、持续时间、冲击规模等,结合宇宙年代学等资料,可以很好地揭示太阳系的早期演化历史。林伍德石的重要性引发了科学界的广泛关注,但由于样品的稀缺性、结构的不稳定性等特点,至今仍颇多争议。

9159com金沙网站:林伍德石中Fe,陨石还有什么用。过去半个多世纪里,就像大家公认“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。

9159com金沙网站:林伍德石中Fe,陨石还有什么用。扩展阅读

美国队长之盾其实是个超级电容?

更多《复仇者联盟2:奥创纪元》的科学解读,请戳专区:

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林伍德石具有典型的尖晶石型结构(spinel structure)。通常来说,尖晶石型矿物中的离子易于发生位置交换,在高温-高压条件下能够达到完全无序状态。在过去半个多世纪中,林伍德石中离子占位的有序-无序问题一直备受关注,但不论是理论还是实验研究都表明其能够达到的无序程度几乎可以忽略。换言之,到目前为止科学家们还没有明确地观察到林伍德石中的无序现象,即六次配位的硅。同为尖晶石结构,为何其有序-无序行为差别如此之大?是否有外在因素的干扰?已有研究表明,随着温度-压力的降低,高温高压条件下达到的离子占位无序状态有可能被快速抹去,结构变得有序。由于林伍德石四面体和八面体的大小相差较大,在温度-压力降低过程中,其无序状态有可能很难保存下来。相对应地,镁铝尖晶石中镁和铝的离子半径差别要小一些,高温高压下的无序状态易于保存,因此镁铝尖晶石可作为一个研究林伍德石中离子占位无序状态的重要媒介。另一方面,相关理论研究表明,林伍德石中离子占位的有序-无序程度对其热膨胀性、体弹模量、剪切模量、地震波波速等物理-化学性质有极大影响;例如,12.5%的硅无序就能降低地震波波速~3-5%。由于林伍德石中离子占位的无序程度可达66.7%,因此,林伍德石中离子占位问题具有重要地学意义,亟待深入研究。

林伍德石具有典型的尖晶石型结构(spinel structure)。通常来说,尖晶石型矿物中的离子易于发生位置交换,在高温-高压条件下能够达到完全无序状态。在过去半个多世纪中,林伍德石中离子占位的有序-无序问题一直备受关注,但不论是理论还是实验研究都表明其能够达到的无序程度几乎可以忽略。换言之,到目前为止科学家们还没有明确地观察到林伍德石中的无序现象,即六次配位的硅。同为尖晶石结构,为何其有序-无序行为差别如此之大?是否有外在因素的干扰?已有研究表明,随着温度-压力的降低,高温高压条件下达到的离子占位无序状态有可能被快速抹去,结构变得有序。由于林伍德石四面体和八面体的大小相差较大,在温度-压力降低过程中,其无序状态有可能很难保存下来。相对应地,镁铝尖晶石中镁和铝的离子半径差别要小一些,高温高压下的无序状态易于保存,因此镁铝尖晶石可作为一个研究林伍德石中离子占位无序状态的重要媒介。另一方面,相关理论研究表明,林伍德石中离子占位的有序-无序程度对其热膨胀性、体弹模量、剪切模量、地震波波速等物理-化学性质有极大影响;例如,12.5%的硅无序就能降低地震波波速~3-5%。由于林伍德石中离子占位的无序程度可达66.7%,因此,林伍德石中离子占位问题具有重要地学意义,亟待深入研究。

“一方面囿于思维定式,另一方面,与镁铝尖晶石不同,林伍德石无序状态更不易保存,温度、压强一旦下降,离子占位会迅速回归有序,所以也的确很难直接观察到无序现象。于是,林伍德石的硅镁无序不大受关注。”北京大学地球与空间学院研究员刘曦说。

 

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最开始,刘曦和他的团队并没有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、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。

编辑:凌薇

为了完成研究,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出了一批硅含量不同的镁铝尖晶石。

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看着这些含硅镁铝尖晶石,刘曦突发奇想地跟硕士研究生刘丽萍说:“既然含硅,不如我们测一下吧,看看硅到底在什么位置上。”

当初,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!”

可是,当刘丽萍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、斯石英和镁橄榄石等对照时发现,在较低的温压条件下,尖晶石中的硅离子处在四面体位置。但是,随着温压条件的升高,样品中硅氧四面体的拉曼谱峰竟明显变弱。

硅离子去哪了?“如果不在四面体里,只能说明在更高的温度压力条件下,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。

经过他们计算,高温高压下,尖晶石中硅的占位已经达到了完全无序的状态,无序程度达到了66.7%。就这样,硅的“群体叛逃”行为,被刘曦、刘丽萍等人“逮”住了。

由此,他们推测,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,只是人类至今还没有直接测到而已。

“在假设林伍德石中存在无序现象的基础上,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。

“叛逆”成果背后的波澜

不出刘曦预料,论文一发表,就引起了广泛关注。5月12日,论文正式发表在国际矿物学杂志Minerals上。截至5月18日,该成果在Minerals杂志官网上的浏览次数已达225次,下载量126次,杂志的官方推特还专门推送了此篇论文。

其实,由于研究结果太过“叛逆”,这篇论文的投稿过程颇为坎坷。“之前投了三四家期刊,基本都被编辑一棒打死,连被送给同行科学家评审的机会都没有,令人非常沮丧。”刘丽萍说。

直到今年4月,他们把论文发给了Minerals,很快他们就收到了四位匿名同行专家的评审建议。

四位匿名评审的意见以正面评价为主。其中一位匿名评审专家在评审意见中如是写道:“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。”

论文评审专家提出的质疑,得到了来自刘曦团队的回应。例如,一位评审专家建议他们从论文标题中删去推理性描述,认为林伍德石和镁铝尖晶石的稳定条件有差异,推理时应尤为谨慎。刘曦回应称,广泛坚实的数据和严密的推理都是科学研究非常重要的组成部分,有助于进一步推动相关研究。

“我国科研条件尚无法支撑我们在林伍德石稳定的温度压力条件下直接做相关实验,但这篇论文发出来之后,一定很快会有国外研究团队对这一推论进行验证。”刘曦说。

刘曦告诉记者,这项研究成果,一方面要求学界重新审视过去的很多实验数据及其解读,另一方面也指明了未来还有很多可以尝试的方向。接下来,科研团队还会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。

“我们目前的研究成果只是播下了第一粒种子。”刘曦说。

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