一項有爭議的研究，他們堅持6年終于找到證據

6年前，在《礦物質》雜志上，北京大學地球與空間科學學院劉曦研究員課題組發表了一項“叛逆”成果，提醒地球科學同行們注意“地幔礦物學模型需要被重新考量”。

在那項研究中，他們認為，傳統的地幔礦物學模型，已經無法解釋地幔520公里至660公里深處地震波波速特征，并提出了一條新思路——在該地幔深處，林伍德石中的陽離子交換與反林伍德石的形成，可能是導致特征地震波波速結構的原因。

盡管劉曦團隊的思路，可以解釋地震波波速的變化，但在地球科學領域，“反林伍德石能否穩定存在”本身就存在疑問。他們的論文多次被拒，在《礦物質》雜志上刊發后也引發了學界討論。

之后的6年里，劉曦和他的團隊憋了一股勁，想盡各種辦法尋找證據。最近，在《地學前緣（英文版）》雜志上，他們發表了找到的證據。理論計算結果顯示，反林伍德石可以在地幔過渡帶穩定存在，而且在560公里深處，含雜質的正-反林伍德石可以發生突變。

做不了實驗，怎么找證據？

要證明一個理論假設，最直接的辦法就是做實驗。可對于劉曦團隊來說，做實驗卻是最不現實的辦法。

“沒有這樣的實驗條件。”劉曦搖了搖頭。

20世紀，澳大利亞學者泰德·林伍德在解釋地震波波速突然躍增時提出，高溫高壓下橄欖石會發生改變，并在地幔過渡帶下部520公里至660公里處變為一種特殊礦物，從而影響地震波波速。人們將其稱為“林伍德石”，而“反林伍德石”就是林伍德石晶體中的硅元素、鎂元素位置發生變化后形成的礦物。

林伍德用林伍德石解釋了地幔520公里處的地震波突變，然而，后來，學者們又發現，地幔560公里處，還有一處地震波的突變。

一時間，學界啞然。林伍德石的存在無法解釋560公里的那處“突變”。一種常見的解釋認為，地幔560公里處的地震波波速變化可能與另一種礦物——毛鈣硅石的出現有關。然而，這種礦物量少，且其含量是逐漸增加的，同樣無法有說服力地解釋地震波波速的“突變”問題。

與之相比，劉曦團隊提出的思路能夠更合理地解釋“突變”，但前提是他們要證明在地幔轉換帶溫壓條件下，林伍德石可以與性質截然不同且能穩定存在的反林伍德石之間，發生突變。

如果通過實驗來尋找證據的話，劉曦團隊第一步要做的，是獲得林伍德石。

這幾乎難如登天。天然的林伍德石存在于地幔520公里至660公里深處，人類目前已獲得的、確證的來自地球深部的林伍德石，只有一小塊由金剛石包裹著并由火山噴出地面的石塊。合成的林伍德石同樣難以獲得，它只有在壓強17萬個大氣壓以上，溫度1700攝氏度左右的極端環境中才能存在。

即便劉曦等人有能力獲得林伍德石樣品，他們還需要面對實驗能力的困境。實驗需要在高溫高壓的極端環境中實時完成，還需要具有極高精度的探測設備以展示林伍德石與反林伍德石的突變過程，即林伍德石內部硅元素、鎂元素位置發生變化。

起初，劉曦努力過，想用實驗來證明他們的假設。但當他帶著團隊把國內外能創造極端條件的實驗室都捋一遍，并找到一些實驗室進行嘗試后，他們遺憾地發現，能申請到機時的實驗設備、實驗條件和實驗效果都不理想。

做不了實驗，該怎么證明假設呢？就在劉曦一籌莫展之際，2019年夏天，假設提出后的第二年，劉曦團隊里來了一位碩博連讀的研究生——趙旭煒。

從低落到興奮

趙旭煒本科畢業于北京大學，曾獲得第28屆中國化學奧林匹克競賽金牌，腦子“靈光”，四年的本科學習幫助他打下了扎實的數理基礎。看著這位皮膚白凈的小伙子，劉曦想：“他有沒有可能做做理論計算，來檢驗我們的想法？”

在天文學、地球科學領域，很多需要極端條件的研究，都因為缺乏實驗條件而采用計算模擬的研究方法。對這種研究方法，趙旭煒很感興趣。

經過劉曦推薦，趙旭煒見到了中國科學院地質與地球物理研究所研究員張志剛等老師，并在他們的指導下很快掌握了基本方法。

接下來，等待趙旭煒的是做不完的計算。

他最早研究的是純林伍德石中硅、鎂位置變化后的結構及性質。光結構就有20多萬個。借助計算軟件，趙旭煒沒日沒夜地“跑數據”：先從20多萬個結構中，篩選出800多個能夠獨立存在的結構；再精確模擬，找出林伍德石在硅和鎂不同有序—無序狀態下的最穩定結構。

計算結果讓人又欣喜又沮喪。欣喜的是，反林伍德石的結構不僅可以穩定存在，而且可與林伍德石“一鍵切換”。沮喪的是，純的正-反林伍德石轉變時，需要的溫度條件遠遠超過了地幔過渡帶的溫度，也就是說，二者無法在地幔過渡帶轉變。

就在組會氣氛陷入低落時，劉曦突然想到了“缺陷理論”。理論上，林伍德石中應該廣泛存在雜質，而作為“缺陷”的雜質可以顯著改變物質的穩定性。

“有沒有可能是雜質影響了正-反林伍德石轉變的溫度？”劉曦想。

之后，趙旭煒又構建出含雜質的300余種林伍德石初始結構模型，仔細篩選并進行后續計算。這次，計算結果顯示，含雜質的正-反林伍德石的轉變溫度約為1600多攝氏度，接近正常地幔過渡帶溫度。

他們得出結論，在富硅、貧鎂的條件下，含雜質的林伍德石可以在地幔過渡帶與穩定的反林伍德石發生轉變。

論文發表后，匿名評審認為，“由于反林伍德石與正林伍德石具有明顯不同的性質，地幔過渡帶反林伍德石的出現，將從根本上影響我們對地幔過渡帶的理解”。

論文被接收后，作為論文第一作者的趙旭煒興奮極了：“做真正的科研挺難的，但真做出來之后真是太滿足了。”

“雞”學生不如“雞”自己

除了滿足感之外，這篇論文還讓趙旭煒離畢業又進了一步。在北京大學，碩博連讀的學時一般是5年。為了等這篇成果出爐，趙旭煒延期了，這篇論文也成為他在讀期間發表的唯一一篇論文。

趙旭煒說，他從沒有焦慮過。他對自己和導師劉曦充滿信心，“劉老師的學生，沒有畢不了業的”。他的師兄師姐里，有兩位曾得過地質學最高獎“李四光獎”，也有多位曾獲得了北京大學優秀博士論文，還有很多學生拿到了國外高校的高額獎學金并出國深造。

作為導師的劉曦也沒有擔心過趙旭煒的學業。“我的團隊里，每個學生都有各自拿手的方向。從我這里走出去之后，他們都能有自己的專業領域去繼續深挖。”劉曦說。

劉曦屬于典型的“放養型”導師，希望每個學生都能點亮屬于他們自己的“小宇宙”。

他不喜歡把所有的學生都集中在一個研究問題或一條研究思路上。每招到一個新生，他都要詳細問問學生自己的研究興趣，然后結合學生的興趣和他自己的研究興趣、課題，找到適合學生的課題。

他也從不要求研究生們必須幾點鐘到實驗室，平時學生情緒不好或者家里有事，跟他說一聲就可以走。

他甚至不要求學生一定要跟著自己學。他鼓勵學生走出去，跟別人討論，跟不同老師學，還會把學生介紹給不同單位的老師，讓學生跟其他單位的老師交流、討論、學習。

不過，“放養”學生的劉曦，給了自己更大的壓力。他每天要讀大量的文獻，絕大部分時間都泡在實驗室里，以便時刻掌握學生們研究方向上的最新進展。有很多的研究方向，學生走了，他還在繼續做。

6年前，跟他一起提出“正-反林伍德石相變可能會導致地震波不連續”設想的學生，在論文刊發后不久就畢業了。劉曦的林伍德石課題還在繼續。遇到趙旭煒后，他們取得了如今的新突破。但如今，趙旭煒也即將畢業。盡管劉曦希望趙旭煒畢業后能進一步深化這項研究工作，但他想，如果趙旭煒將忙于其他課題，他很可能還會與另一位研究生合作，繼續把這項研究做下去。

“如果說6年前我們提出的新思路是‘播下了一粒種子’，那么現在這顆種子發了芽，開了花。下一步，我們還要努力，從實驗角度展示林伍德石與反林伍德石的轉變，把我們的研究結果以實物的形式展示給大家，盡管這非常難。”劉曦說。

劉曦（前排右一）、趙旭煒（后排右四）及團隊成員。受訪者供圖

相關論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.gsf.2024.101896