研究人员在极端深地球条件下探测材料以破译地球的进化故事

研究人员开发了一种技术，使他们能够在芯-幔边界处发现的极端条件下研究液态硅酸盐的原子排列。这可以使人们更好地了解地球早期的熔融天，甚至可以扩展到其他岩石行星。

研究液态硅酸盐在这些极端温度和压力下的行为一直是地球科学领域的长期挑战。

一个远在地球表面以下约1800英里的深处是一个旋转的岩浆区域，夹在固体硅酸盐基地幔和富铁熔核之间：地幔边界。这是一个古老的时代，大约是45亿年前的原始日子，那时整个星球都融化了，无尽的岩浆海。尽管该地区的极端压力和温度使其难以研究，但其中包含有关我们所知道的世界神秘起源故事的线索。

能源部科学家阿里安娜·格里森（Arianna Gleason）表示：“我们仍在努力探索地球实际上是如何形成的，它是如何从一个熔融的星球转变为一个有生命的生物在其硅酸盐地幔和地壳中行走的星球。” SLAC国家加速器实验室。“了解材料在不同压力下的行为方式可能会给我们一些提示。”

现在，科学家们已经开发出一种在岩心—地幔边界发现的极端条件下研究液态硅酸盐的方法。这可以使人们更好地了解地球早期的熔融天，甚至可以扩展到其他岩石行星。该研究由科学家纪尧姆·莫拉德（Guillaume Morard）和亚历山德拉·拉瓦西奥（Alessandra Ravasio）领导。该团队包括格里森和SLAC和斯坦福大学的其他研究人员，于本周在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的发现。

法国格勒诺布尔大学和索邦大学的科学家莫拉德说：“我们不了解液体和玻璃的某些特性，尤其是硅酸盐熔体。”“问题在于，熔融材料本质上更具挑战性。通过我们的实验，我们能够在极高的温度和深地球的压力下探测地球物理物质，以解决它们的液体结构并了解它们的行为。将来，我们将能够使用这些类型的实验来重现地球的最初时刻，并了解形成地球的过程。”

比太阳还热

在SLAC的Linac相干光源（LCLS）X射线自由电子激光器中，研究人员首先使用精心调谐的光学激光器，通过硅酸盐样品发出了冲击波。这样一来，它们所承受的压力就可以模仿地球地幔上的压力，是以前使用液态硅酸盐所能达到的压力的十倍，而且温度高达6,000开尔文，比太阳表面的温度略高。

接下来，研究人员在冲击波达到所需压力和温度的精确时刻，用来自LCLS的超快X射线激光脉冲击中了样品。然后，一些X射线散射到检测器中并形成衍射图样。就像每个人都有自己的指纹一样，材料的原子结构通常是唯一的。衍射图样揭示了物质的指纹，使研究人员能够追踪样品的原子如何响应冲击波期间压力和温度的增加而重新排列。他们将其结果与先前的实验和分子模拟的结果进行了比较，以揭示玻璃和液态硅酸盐在高压下的共同演化时间表。

SLAC科学家和合著者Hae Ja Lee说：“能够收集所有这些不同的技术并获得相似的结果是令人兴奋的。”“这使我们能够找到一个有意义的组合框架，并向前迈出了一步。与其他研究相比，它非常全面。”

连接原子与行星

将来，LCLS-II升级以及进行此研究的极端条件问题（MEC）仪器的升级，将使科学家们可以重新创建内核和外核中发现的极端条件，以了解铁的含量。行为及其在产生和形成地球磁场中所起的作用。

为了跟进这项研究，研究人员计划在更高的X射线能量下进行实验，以更精确地测量液态硅酸盐的原子排列。他们还希望达到更高的温度和压力，以洞悉这些过程如何在比地球大的行星中发生，所谓的超地球或系外行星，以及行星的大小和位置如何影响其组成。

格里森说：“这项研究使我们能够将原子学与行星学联系起来。”“截至本月，已发现4,000多颗系外行星，其中约55个位于其恒星的宜居区域，在那里可能存在液态水。其中一些已经进化到我们认为存在可以产生磁场的金属核，该金属核可以保护行星免受恒星风和宇宙辐射的影响。为了形成和维持生命，有很多东西需要落入原位。在这个发现时代，进行重要的测量以更好地了解这些行星的构造至关重要。”

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参考：Guillaume Morard，Jean-Alexis Hernandez，Marco Guarguaglini，Riccardo Bolis，Alessandra Benuzzi-Mounaix，Tommaso Vinci，Guillaume Fiquet和Marzena A.“在动态和静态压缩到兆巴压力下，硅酸盐液体和玻璃的原位X射线衍射”男爵，桑亨申，Byeongkwan Ko，Arianna E.Gleason，Wendy L.Mao，Roberto Alonso-Mori，Hae Ja Lee，Bob Nagler，Eric Galtier，Dimosthenis Sokaras，Siegfried H.Glenzer，Denis Andrault，Gaston Garbarino，Mohamed Mezouar ，安雅·舒斯特（Anja K. Schuster）和亚历山德拉·拉瓦西奥（Alessandra Ravasio），2020年5月15日，美国国家科学院院刊。
10.1073 / pnas.1920470117

Ravasio是法国索邦大学（Sorbonne University）和法国理工大学（Ecole Polytechnique）的科学家。该小组还包括亚利桑那州立大学的研究人员。挪威奥斯陆大学；国家自然历史博物馆，克莱蒙·奥弗涅大学，法国替代能源和原子能委员会以及法国的欧洲同步加速器辐射设施；德国的Helmholtz-Zentrum德累斯顿-罗斯森多。

LCLS是美国能源部科学办公室的用户设施。这项研究得到了美国能源部科学办公室（基础能源科学和聚变能源科学）的部分支持。