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我們在地球表面看到的山脈隆起、火山噴發(fā)和地震等地質(zhì)事件，都是“冰山一角”，實際上地球深處時刻都在發(fā)生更劇烈的地質(zhì)運動。在地殼上所看到的地質(zhì)變化，只是被稱為板塊構(gòu)造的傳送帶系統(tǒng)的一部分，在這個系統(tǒng)中，海洋邊緣的舊地殼被推回大陸下方的地下，進(jìn)入地幔。

隨著舊地殼深入地球，巖石中的一些礦物在地幔的高溫高壓下發(fā)生變化。猶他大學(xué)地質(zhì)學(xué)家宮城洛厄爾（Lowell Miyagi）及其同事的一項新研究發(fā)現(xiàn)，這些地幔礦物中的一種是地球內(nèi)部最弱的礦物之一。

這是一種很難研究的礦物，它比地幔的其他部分軟1000倍左右。這對于理解巖石沉入地球時會發(fā)生什么是很重要的，這反過來又告訴我們地震和火山是如何以及為什么會在地表發(fā)生的。這項研究發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上。

地上和地下的板塊構(gòu)造

地殼是由板塊構(gòu)成的，構(gòu)成海洋的板塊從巖漿在板塊中心上升開始，這個地方被稱為“大洋中脊”巖漿變成了玄武巖，類似于我們看到的從火山噴出的黑色火山巖。

隨著巖漿繼續(xù)上升，板塊擴(kuò)張，將更古老的玄武巖地殼推向兩側(cè)。每一個板塊都會撞到它相鄰的板塊，當(dāng)它撞到比大陸地殼密度更大的海洋地殼時，擴(kuò)張的部分就會被推入地幔。這是一個叫做俯沖的過程。關(guān)于這種被回收地殼的后續(xù)，我們難以看到，我們最好的線索來自我們對地震產(chǎn)生的地震波的讀數(shù)。

宮城說：“這有點像你去醫(yī)生那里用超聲波給胎兒成像。”

地震波以不同的速度在不同的材料中傳播，所以當(dāng)?shù)卣鸩@示出一些不尋常的東西時，地球科學(xué)家會注意并自然地想知道，它是由什么組成的。其中一個值得注意的未知數(shù)是地幔和地核之間邊界的一個特征，稱為大型低剪切速度區(qū)或LLSVP。

有兩塊：一塊在太平洋下面，另一塊在非洲下面。它們是巨大的太平洋下面的一塊大約3000公里。它們很高，可能高達(dá)1000公里，這是珠穆朗瑪峰高度的100多倍。

地球科學(xué)家此前認(rèn)為，這些區(qū)域比周圍的巖石更熱，可能是夏威夷群島或東非裂谷帶等地貌的來源。在這項新研究重，科學(xué)家們想弄清楚的是：它是什么樣的巖石，它是如何堆積在那里的？

達(dá)維毛石（davemaoite）

對于上述問題的答案，一種候選礦物是化學(xué)式為CaSiO3的達(dá)維毛石（davemaoite），它是鈣鈦礦類礦物的一部分。下沉的巖石板塊富含達(dá)維毛石（高達(dá)30%），地幔的其他部分則不多。因此，盡管了解達(dá)維毛石的力學(xué)性質(zhì)很重要，比如它在地幔中如何彎曲或拉伸，了解地球如何將材料從表面回收到內(nèi)部深處，但它一直是一種難以研究的礦物。

宮城說：“（在實驗室）研究非常困難，因為室內(nèi)壓力和溫度與地球深處相差太大，它必須在高溫高壓下被研究。如果你去掉壓力和溫度，它就會變成玻璃?！睋?jù)報道，唯一的在地球表面發(fā)現(xiàn)的達(dá)維毛石，被困在一顆鉆石內(nèi)部，鉆石保持了維持原子結(jié)構(gòu)所需的高壓。

那么，科學(xué)家們是如何成功地研究達(dá)維毛石的機(jī)械性能的呢？他們通過在兩個金剛石砧之間以30千兆帕斯卡的壓力（海洋最深處壓力的19倍）擠壓CaSiO3粉末，并將其加熱至1150 K的溫度。在儀器上建一個窗口，讓X射線束通過，科學(xué)家們就可以分析產(chǎn)生的晶體的原子結(jié)構(gòu)。

像糖漿一樣柔軟！

在分析了達(dá)維毛石的結(jié)構(gòu)后，研究人員模擬了它在拉伸或拉伸時的強(qiáng)度和行為。他們發(fā)現(xiàn)，達(dá)維毛石比地幔的其他部分軟1000倍左右。

材料的粘度或流動能力是以幾個不同的單位測量的，包括帕斯卡秒。非常薄的東西，比如水，大約是0.001帕斯卡秒，而較厚的東西，比如花生醬，大約是200帕斯卡秒。達(dá)維毛石大約在1021帕斯卡秒左右，跟糖漿差不多。

這種柔軟的物質(zhì)是如何影響一塊巖石沉入地球的？在大約550公里的深度處，溫度和壓力在板塊的大部分區(qū)域形成了達(dá)維毛石，板塊的薄弱部分可能會分層或從板塊的其余部分剝離，然后掉到地幔中，如果這種富含達(dá)維毛石的致密物質(zhì)分離并下沉，它可能會形成一個大的低剪切速度區(qū)。通過將這些倒轉(zhuǎn)的羽狀物滴到地幔底部，這種情況會在長時間堆積這種物質(zhì)的過程中發(fā)生。

關(guān)于地球內(nèi)部礦物的性質(zhì)如何影響事物的運動，還有很多有待探索。宮城說：“了解這種材料的機(jī)械特性，可以讓我們更好地了解板塊在地球內(nèi)部是如何俯沖和活動的。因此，這可以讓我們更好地理解驅(qū)動板塊構(gòu)造、地震和火山的大規(guī)模過程?！?/p>

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