在地球深處，氧化鐵能承受極端的溫度和壓力

2025-12-12 04:13:37 分類(lèi)：綜合 閱讀(35363)

地幔底部附近富含鐵的山區(qū)(暗紅色)影響了到達(dá)地表并形成火山活動(dòng)的地幔柱的上升流。信用:uux.cn/加州理工學(xué)院
（神秘的氧化壓力廈門(mén)找妹子（大圈外圍）vx《365-2895》提供外圍女上門(mén)服務(wù)快速選照片快速安排不收定金面到付款30分鐘可到達(dá)地球uux.cn）據(jù)加州理工學(xué)院（Lori Dajose）：地核-地幔邊界(CMB)是地球鐵金屬地核和地核上方厚厚的地幔巖石層之間的界面。這是承受一個(gè)極端的世界——數(shù)千華氏度的溫度和超過(guò)地球表面壓力一百萬(wàn)倍的壓力。雖然它可能看起來(lái)離我們地球表面的極端環(huán)境很遠(yuǎn)，但來(lái)自CMB的地球的溫度和物質(zhì)羽狀物可以在幾千萬(wàn)年內(nèi)向上穿過(guò)地球，影響我們居住的深處地表世界的化學(xué)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和板塊構(gòu)造。氧化壓力
盡管科學(xué)家們不能到地球中心去研究CMB，承受但他們可以通過(guò)測(cè)量地震來(lái)獲得關(guān)于地球表面下存在什么的極端線(xiàn)索。地震波以不同的地球的溫度和速度傳播，這取決于它們穿過(guò)的深處廈門(mén)找妹子（大圈外圍）vx《365-2895》提供外圍女上門(mén)服務(wù)快速選照片快速安排不收定金面到付款30分鐘可到達(dá)物質(zhì)，這使得研究人員可以利用地震信號(hào)來(lái)推斷地表深處的氧化壓力情況。這類(lèi)似于超聲波使用聲波在人體內(nèi)部成像。承受
最近的極端研究表明，地球地幔的底部實(shí)際上是復(fù)雜和不均勻的——特別是，在一些類(lèi)似山脈的區(qū)域，地震波會(huì)神秘地變慢。這些被命名為超低速度區(qū)(ULVZs)的氣泡是由加州理工學(xué)院的Don Helmberger首先發(fā)現(xiàn)的，有幾十公里厚，位于我們腳下約3000公里處。
威廉·e·萊昂哈德礦物物理學(xué)教授詹妮弗·杰克遜說(shuō):“因?yàn)槲覀儾荒芎?jiǎn)單地下到CMB并進(jìn)行測(cè)量，所以對(duì)于一個(gè)對(duì)我們星球的演化如此重要的區(qū)域，有許多懸而未決的問(wèn)題。”“ULVZs為什么存在，它們是由什么組成的？關(guān)于地球是如何演化的，該區(qū)域在地球動(dòng)力學(xué)中扮演了什么角色，它們教給了我們什么？在CMB的極端條件下，液滴是固態(tài)還是熔融態(tài)？”
2010年，杰克遜和她的團(tuán)隊(duì)提出，這些氣泡比它們周?chē)牡蒯：懈叩难趸F含量。固體氧化鐵會(huì)減慢地震波的速度，這可以解釋為什么測(cè)得的穿過(guò)氣泡的速度很低。但是在CMB的極端溫度和壓力下，氧化鐵甚至可能是固體嗎？
現(xiàn)在，杰克遜實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)新研究對(duì)氧化鐵在類(lèi)似CMB的溫度和壓力范圍內(nèi)的行為進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量。由此產(chǎn)生的所謂相圖表明，與以前的理論相反，氧化鐵即使在非常高的溫度下也保持固態(tài)。這代表了迄今為止最強(qiáng)有力的證據(jù)，表明固體富鐵區(qū)域是ULVZs的現(xiàn)實(shí)解釋?zhuān)⒖赡茉谏顚佑鹆魃芍邪l(fā)揮關(guān)鍵作用。這些發(fā)現(xiàn)激發(fā)了未來(lái)對(duì)固體富鐵材料的研究，以更好地了解地球的深層內(nèi)部。
描述這項(xiàng)研究的論文發(fā)表在11月13日的《自然通訊》雜志上。
在原子水平上，固體氧化鐵由鐵和氧原子以有序重復(fù)的模式整齊排列而成。隨著固體開(kāi)始融化，原子失去了嚴(yán)格有序的結(jié)構(gòu)，開(kāi)始流動(dòng)。這項(xiàng)新研究由前加州理工學(xué)院研究生vasi lije Dobrosavljevic(22年博士)領(lǐng)導(dǎo)，旨在通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定這種轉(zhuǎn)變發(fā)生的溫度和壓力。
幾十年來(lái)，在實(shí)驗(yàn)中達(dá)到極端溫度和壓力一直是可能的，但實(shí)驗(yàn)需要極小的樣本，小于人類(lèi)頭發(fā)的平均寬度。使用如此小的樣本，檢測(cè)材料開(kāi)始從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變的精確溫度是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。十多年來(lái)，杰克遜和他的合作者一直在開(kāi)發(fā)一種在高壓下探測(cè)熔化的技術(shù)。這項(xiàng)新研究利用這種被稱(chēng)為穆斯堡爾光譜學(xué)的精確技術(shù)來(lái)觀察鐵原子的動(dòng)態(tài)配置。
“我們用穆斯堡爾來(lái)回答關(guān)于鐵原子動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，”Dobrosavljevic說(shuō)。“在大約100納秒的短時(shí)間內(nèi)，我們想知道:它們是像在固體中一樣幾乎不動(dòng)，還是像在液體中一樣動(dòng)了很多？我們的新研究用一種獨(dú)立的方法——X射線(xiàn)衍射——補(bǔ)充了穆斯堡爾譜學(xué)，使我們能夠觀察樣品中所有原子的位置。”
在一系列溫度和壓力下進(jìn)行了幾十次實(shí)驗(yàn)后，研究小組發(fā)現(xiàn)，在地球CMB的壓力下，氧化鐵的熔化溫度比之前估計(jì)的要高:超過(guò)4000開(kāi)爾文，相當(dāng)于大約6700華氏度。
這項(xiàng)研究還得出了一個(gè)意想不到的結(jié)果，即鐵材料中所謂的原子缺陷。
研究人員已經(jīng)知道，在海平面壓力下，每個(gè)氧化鐵樣品的原子結(jié)構(gòu)中都有微小的規(guī)則排列的缺陷。對(duì)于每100個(gè)氧原子，只有大約95個(gè)鐵原子，這意味著大約有5個(gè)鐵原子“失蹤”研究人員就這些原子級(jí)缺陷如何在更大范圍內(nèi)影響材料展開(kāi)了辯論——例如，它如何導(dǎo)電和導(dǎo)熱，或者在壓力下變形等等。這些參數(shù)對(duì)于理解行星內(nèi)部至關(guān)重要，在行星內(nèi)部，熱流和物質(zhì)變形驅(qū)動(dòng)著行星動(dòng)力學(xué)。然而，缺陷在高壓和高溫下的行為，就像在CMB發(fā)現(xiàn)的那樣，直到現(xiàn)在還是未知的。
Dobrosavljevic和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在比氧化鐵熔點(diǎn)低幾百開(kāi)爾文的溫度下，微小的原子缺陷開(kāi)始在固體材料中四處移動(dòng)，變得“無(wú)序”這可以解釋為什么以前的實(shí)驗(yàn)表明氧化鐵在較低的溫度下熔化:那些實(shí)驗(yàn)實(shí)際上看到的是缺陷的轉(zhuǎn)移，而不是整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)的熔化。
“在固體晶體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w之前，我們看到缺陷結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從有序到無(wú)序的轉(zhuǎn)變，”他說(shuō)。“現(xiàn)在我們想知道這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變對(duì)像ULVZ這樣的富鐵區(qū)域的物理性質(zhì)有什么影響？這些缺陷如何影響熱量的傳輸，對(duì)于到達(dá)地表的上升流羽流的形成和生成意味著什么？這些問(wèn)題將指導(dǎo)進(jìn)一步的研究。”
這篇論文的題目是“FeO中的熔化和缺陷轉(zhuǎn)變直到地球核-幔邊界的壓力”。