地幔可能比我们之前认为的还要热

随着地球科学研究的发展，我们对脚下的地球深部有了更深的了解，越来越多的结果也颠覆了人们最初的认识。

编译：刘小鸥

在这个创意时代，人们总爱把“创新”挂在嘴边。创造力在生活中能够转化带来直接的效益，而在科学研究中，创新精神也成为突破束缚推动科学进步的关键。

最近，美国伍兹霍尔海洋研究所的一位年轻的研究生艾米丽·萨拉菲安（Emily Sarafian）开创了一种新的实验方法，在实验室中更精确地模拟计算了合成地幔成分，从而发现地幔可能比我们之前认为的还要热。

这一惊人的结果或许能改变科学家对地球科学中许多重要问题的认识。

实验模拟地幔过程

从探究地壳板块的运动，到追溯地球形成，地球内部温度一直是科学家研究的焦点。

萨拉菲安介绍，“洋中脊是板块逐渐分离的地方，也是形成新海床的部位。在这里，上地幔的岩石缓慢上升，岩石减压融熔，随后冷却并重新凝固，在洋底填补板块间的空隙形成新的地壳。我们希望能模拟这一过程，所以需要知道上升的地幔岩开始融熔的温度。”

但这并不容易。由于地幔中的温度无法直接测量，地质学家只得在实验室中通过模拟实验来估计融熔温度。萨拉菲安使用活塞圆筒型高温高压装置，这种装置通过电流加热，利用具有重量的金属板和活塞施加压力，从而重现地球内部高温高压的环境。

创新方法解决关键问题

同时，含水量扮演着重要角色：岩石中水（或氢）含量越高，其融熔温度越低。人们知道上地幔中的橄榄岩含有少量的水，“但我们并不知道添加水究竟会如何改变熔点，”萨拉菲安的导师格林·加埃塔尼（Glenn Gaetani）表示，“所以仍有诸多不确定因素。”

图2.这个圆托板上每个小岩石约是一个合成地幔样品的一半。合成地幔在经历高温高压实验后被切开、打磨，并放在这种托板上通过SIMS分析其含水量。（图片来源：WHOI）

为了弄清地幔岩的水含量对熔融温度的影响，萨拉菲安按照标准的实验方法，制造了一个合成地幔样品。之前在类似实验中，研究人员一般用烘箱尽量干燥样品去除水分。但由于矿物颗粒太小，无法定量分析水分，不得不先假设其初始材料是完全干燥的，在实验之后再修正。

“问题是，初始材料是粉末状的，它们吸收空气中的水分。所以无论加不加水，实验中总会有水。”

萨拉菲安采用了一种不同的办法。她在初始样品中添加球状的橄榄石，这在真实地幔中也存在。这些橄榄石小球仍然很小，直径只有约300微米，与细沙颗粒大小相当。但对萨拉菲安的实验来说，它们已经足够大，能通过二次离子质谱技术（SIMS）分析其含水量。由此，萨拉菲安能够精确计算出整个初始样品的含水量。

图3.实验中橄榄岩矿物颗粒（左）与橄榄石（右）的背散射电子图像（以白色虚线分割）。黑色框代表纳米二次离子质谱（Nano SIMS）的大致尺寸。对比可见，橄榄岩颗粒过细无法测量，而橄榄石尺寸则足够大。（图片来源：论文原文）

从矛盾中推断出新结论

根据实验结果，萨拉菲安认为，地幔融熔应该始于较浅深度。为了验证这一结论，她将目光转向大地电磁（magnetotellurics）探测，这种技术能够分析地壳与海床下地幔的电传导性，融熔岩石的导电性比固体岩石高得多。利用大地电磁数据，地球物理学家能够判断地幔中何处开始融熔。

但2013年《自然》杂志发表的一项大地电磁分析表明，地幔岩在海床下的融熔深度要比萨拉菲安推断得更深。

这两个结果看起来是矛盾的，但萨拉菲安相信，其实它们都是正确的。在仔细核对实验与大地电磁分析中的温度与压强后，她得出了惊人的判断：洋中脊下的地幔温度比之前估计的还要高60°C。

相比于地幔超过1400°C，60°C的差异乍听起来也许不太起眼。但萨拉菲安与加埃塔尼认为，这一结果意义重大。温度更高意味着地幔流动性更大，能够解释刚性板块运动等诸多地球科学问题。

当然，这一推断仍需更多实验结果的支持，但他们所采用的这种创新的实验方法会使后续实验变得更简单。

更多“颠覆性”结果的出现

随着地球科学研究的发展，我们对脚下的地球深部有了更深的了解，越来越多的结果也颠覆了人们最初的认识。

今年1月，美国卡内基科学研究所的科学家分析了一些来自赤道大西洋中脊的玄武岩样品，以获得地幔碳含量信息。地幔中的碳含量与许多地质过程息息相关，包括触发火山喷发、维持生物圈稳定，它同样在史前气候变化等方面起着重要作用。

15年前，卡内基与布朗大学的科学家曾分析过太平洋海床的同类样本。两处对比结果发现，地幔中碳分布远不如预想均匀，不同部分的含量差异达到两个数量级。而这种极不均匀的碳分布也可能暗示着不同地区更复杂的地幔过程。

将来必然还有更多研究涌现，最终能够完整地向我们讲述这颗星球的过去、现在与未来。

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参考材料：

1. Sarafian et al. (2017), Experimental constraints on the damp peridotite solidus and oceanic mantle potential temperature, Science 355, 942-945;

2. Asimow (2017), A measure of mantle melting, Science 355, 908-909;

3. Dalton et al. (2014), Geophysical and Geochemical Evidence for Deep Temperature Variations Beneath Mid-Ocean Ridges, Science 344, 80;

4. Voyer et al. (2017), Heterogeneity in mantle carbon content from CO2-undersaturated basalts, Nature Communications 8:14062;

5. Saal et al. (2002), Vapour undersaturation in primitive mid-ocean-ridge basalt and the volatile content of Earth's upper mantle, Nature 419, 451-455.

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