美國科學家進行的一項最新研究，首次發現極高的溫度和壓力如何在亞原子層面上對地幔中礦物質產生影響。該研究成果有望加深人們對火山、地震和大陸漂移等與地幔相關活動的理解。相關論文發表在9月21日的《科學》雜志上。
地幔是分布在地表以下40公里到2900公里范圍內的半固體層，它偶爾會通過火山錐和深海口冒冒泡泡。當溫度和壓力攀升到極限時（平均攝氏4500度、130萬個大氣壓），構成地幔的物質會發生奇特的變化。比如，氧化鐵會變成鎂方鐵礦（Mg,Fe）O，而含鎂和硅的混合物也會壓縮形成鈣鈦礦MgSiO3。
在最新的研究中，美國Lawrence Livermore國家實驗室的林俊孚（Jung-Fu Lin，論文第一作者）和同事對下地幔（lower mantle）中發生的情況進行了模擬。他們利用鉆石砧室（diamond anvil chamber）將氧化鐵加壓到93萬個大氣壓，并通過激光將砧室加熱到攝氏1750度。在此基礎上，研究人員分析了鐵元素放射出的X射線光譜，并精確確定了單個鐵原子內電子的重新排列。
研究人員發現，極端的高溫高壓會導致越來越多的自旋電子配對，并產生自旋抵消。因此，鐵離子會從高自旋態逐漸轉變為低自旋態。不過，新的研究表明，這一轉變過程是漸進的，也就是說，在下地幔中，這兩種自旋狀態可以在廣泛的溫度和壓力范圍內共存。這是之前的研究都沒有發現的狀況。
該結果說明，地幔可能無法被分割成離散的高自旋態或低自旋態層，科學家必須重新調整觀測技術，來更深入地研究地幔。與處于高自旋態的鎂方鐵礦相比，低自旋態的密度更高，聲音傳播速度也更快。這一差異會影響地幔中鎂方鐵礦和鈣鈦礦對地震波的反射，從而干擾科學家對地球內部成分及其動力學的研究。
美國弗尼吉亞理工學院的地球物理學家Scott King表示，地球下地幔的本質絕對“值得進一步探測”，盡管這會很難，因為下地幔各個層之間已經很難再有明確的界限。美國Transdyne公司的J. Marvin Herndon認為，類似的研究可以在硫化鈣和硫化鎂上進行，因為這兩種礦物也會影響科學家利用地震波觀測地球深處并建立精確的地球內部模型。
最新研究表明，下地幔可能很難明確地分層（圖片來源：USGS）
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