新发现表明，许多地球科学家对地球内部的理解过于简单

当前的理解是地球地幔的化学成分是相对均匀的。但是，ETH研究人员进行的实验现在表明这种观点过于简单。他们的结果解决了地球科学面临的一个关键问题，并提出了一些新问题。

有些地方永远都是我们无法企及的。地球内部就是其中之一。但是我们确实有办法了解这个未知的世界。例如，地震波使我们能够对行星的结构以及隐藏在其中的物质的物理特性施加重要的限制。然后是火山岩，它们从地底深处出现在地球表面的某些地方，并提供有关地幔化学成分的重要线索。最后，还有一些实验室实验可以模拟小规模的地球内部状况。

村上元彦（Motohiko Murakami）是实验矿物物理教授的最新著作，他的研究小组最近在PNAS杂志上发表了文章，展示了这种实验的启发性。研究人员的发现表明，许多地球科学家对地球内部的理解可能过于简单。

ETH研究人员使用复杂的测试阵列来检查地球内部深处的岩石行为。标本位于照片中央的方块中。

地幔下面只有几公里厚，位于地壳之下。它也是由岩石制成的，围绕着地球的核心，该核心始于我们下方约2900公里。由于地震信号，我们知道在约660公里深度的地幔中发生了巨大变化：这是上地幔与下地幔相遇的地方，岩石的力学性质开始发生变化，这就是传播速度的原因在这个边界，地震波的变化很大。

目前尚不清楚这仅仅是一个物理边界还是岩石的化学成分在这一点上也发生了变化。许多地球科学家认为，地球的地幔整体上是相对一致的富含镁的岩石，而镁的组成与地球表面上的橄榄岩岩石相似。这些来自上地幔的使节通过火山喷发等事件到达地球表面，其镁硅比约为1.3。

村上隆解释说：“地球幔的组成或多或少是同质的假设是基于一个相对简单的假设。”“也就是说，地幔内部强大的对流，这也推动了地表构造板块的运动，并不断地将其混合在一起。”但这种观点可能过于简单。

硅在哪里？

这个假设确实有一个根本的缺陷。人们普遍认为，地球是大约45亿年前通过从原始太阳星云中出现的陨石的积聚而形成的，因此，这些陨石的总体组成是相同的。地球分化为核心，地幔和地壳的过程是第二步的一部分。

撇开现在已成为地球核心部分的铁和镍不谈，很显然地幔实际上应比橄榄岩岩石含有更多的硅。根据这些计算，地幔的镁硅比应接近于〜1而不是〜1.3。

这使地球科学家提出了以下问题：缺少的硅在哪里？有一个明显的答案：地幔​​中的硅很少，因为它在地核中。但是村上得出一个不同的结论，那就是硅在下地幔中。这意味着下地幔的成分与上地幔的成分不同。

压缩标本的两个菱形位于标本盒的中心。拧紧螺钉所产生的压力类似于下罩内的压力。

村上的假说几经曲折：首先，我们已经确切地知道地震波在地幔中传播的速度。其次，实验室实验表明，下地幔主要由硅质矿桥辉石和富镁矿铁镁铝石制成。第三，我们知道地震波传播的速度取决于构成岩石的矿物的弹性。因此，如果已知两种矿物的弹性特性，则可以计算与观察到的地震波速度相关所需的每种矿物的比例。然后可以得出下地幔的化学成分必须是什么。

尽管已知阿魏酸酯酶的弹性性质，但桥锰矿的弹性性质尚不明确。这是因为这种矿物质的弹性在很大程度上取决于其化学成分。更具体地，其根据桥锰矿中包含的铁量而变化。

在实验过程中，岩石样本被夹在两个金刚石尖端之间。钻石尖端的尺寸约为。 0.1毫米

村上和他的团队现在在他的实验室中对该矿物进行了高压测试，并尝试了不同的成分。研究人员首先将一个小的标本夹在两个钻石尖端之间，然后使用特殊的装置将它们压在一起。这使标本承受了极高的压力，类似于下地幔中的压力。

硅被发现

村上隆然后使用测量值对与地震波的散布最相关的成分进行建模。结果证实了他的理论，即下地幔的成分与上地幔的成分不同。村上说：“我们估计桥锰矿占下地幔的88％至93％，这使该地区的镁硅比率约为1.1。”村上隆的假说解决了缺少硅的奥秘。

但是他的发现提出了新的问题。例如，我们知道在某些俯冲带中，地壳被推入地幔深处，有时甚至到达地核的边界。这意味着上地幔和下地幔实际上并不是密封的实体。这两个区域如何相互作用以及地球内部动力学如何产生化学上不同的地幔区域还有待观察。

参考：Izumi Mashino，村上元彦，宫岛伸彦和Sylvain Petitgirard于2020年10月22日在《美国国家科学院院刊》上发表的论文“实验证明，富含二氧化硅的地球下部地幔中富含亚铁为主的桥锰铁矿”。
10.1073 / pnas.1917096117