照亮地球深部的“明燈”
——高溫高壓實驗

周春銀 金振民

①博士，②中國科學(xué)院院士，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074

照亮地球深部的“明燈”
——高溫高壓實驗

周春銀①金振民②

①博士，②中國科學(xué)院院士，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074

高溫高壓實驗；地球內(nèi)部；地質(zhì)學(xué)；地球物理學(xué)

地球是人類賴以生存和發(fā)展的家園，相對于其表層系統(tǒng)(大氣圈、水圈、生物圈)，人類對地球深部的認(rèn)識仍然非常有限。地質(zhì)學(xué)/地球化學(xué)方法通過研究地表出露的來自地球深部的巖石礦物和來自外太空宇宙的隕石等樣品，來推測地球內(nèi)部物質(zhì)的性質(zhì)。地球物理方法則利用地震波來探測地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。半個多世紀(jì)以來興起的高溫高壓技術(shù)，使得科學(xué)家能夠在實驗室中模擬地球內(nèi)部的極端壓力和溫度環(huán)境，同時結(jié)合各種現(xiàn)代化分析測試手段，對巖石和礦物在極端高溫高壓條件下的性質(zhì)狀態(tài)進行原位研究，極大地促進了我們對地球內(nèi)部的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。因此，高溫高壓實驗技術(shù)已經(jīng)成為人類探索地球深部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成的“明燈”。

溫家寶在2012年回母校中國地質(zhì)大學(xué)與師生交流講話時曾論述道：“只要有地球存在，只要有人類存在，只要人類在發(fā)展和進步，地質(zhì)學(xué)就不會枯竭。”這闡明了地球科學(xué)與人類發(fā)展的密切關(guān)系。地質(zhì)學(xué)的一個基本任務(wù)就是認(rèn)識地球的活動來為人類的生存和發(fā)展服務(wù)。地球從內(nèi)到外是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。地球表層系統(tǒng)如大氣圈、水圈、生物圈，與我們的生活息息相關(guān)，自古以來人類就在不斷積累這方面的知識，但是我們對地球內(nèi)部的認(rèn)識，相對于其表層系統(tǒng)極其有限，主要原因就是我們能夠深入地下的深度非常有限。目前中國大陸科學(xué)鉆探工程在江蘇北部東海縣的鉆孔最深達(dá)5 158 m，人類在大陸上最深的鉆探深度記錄為12 261 m(前蘇聯(lián)科拉半島超深鉆)，而在洋底的鉆探深度僅僅為2 km左右。換句話說，人類所觸及的地球深部尚不及地球(平均)半徑(約6 371 km)的1/500。人類要進入地球深部，面臨著重重困難。關(guān)鍵問題是，地球深部是極端的高溫高壓環(huán)境，不僅人類無法生存，連一般的物質(zhì)材料在這樣的極端條件下也難以保持穩(wěn)定。要進入地球內(nèi)部，首先要獲得耐高溫高壓的材料，而這些材料在目前來說不僅非常昂貴而且極其稀少。科學(xué)家們一直在努力工作，不斷地揭示地球深部的物質(zhì)材料的特征和性質(zhì)，使得我們有幸能夠了解和認(rèn)識地球內(nèi)部的奧秘。

1 怎樣了解地球深部的結(jié)構(gòu)和組成

20世紀(jì)中葉至今，航空航天技術(shù)得到了日新月異的發(fā)展，然而人類對地球深部的探測舉步維艱，“上天容易入地難”成為了全世界地質(zhì)學(xué)家們共同面對的一個難題。有沒有辦法讓我們不需要進入地球內(nèi)部，就能獲取地球內(nèi)部的信息呢？答案是肯定的！這里不得不提到地質(zhì)學(xué)家/地球化學(xué)家和地球物理學(xué)家已經(jīng)在這方面做了非常杰出的工作。

地球是一個活躍的星球，其內(nèi)部和表層都是活動的。地球內(nèi)部的物質(zhì)可以通過板塊運動和火山作用等以包體(xenoliths)等形式攜帶至地表，這些散落在地表的來自地球深部的物質(zhì)經(jīng)過億萬年的“洗禮”，仍然可以保持相當(dāng)多的原始的地質(zhì)學(xué)信息。例如，科學(xué)家通過對大量地幔橄欖巖包體的地球化學(xué)和物性分析，確定上地幔的主要成分是橄欖巖類。另外，來自外太空的隕石，尤其是(碳質(zhì))球粒隕石，被認(rèn)為是原始地球形成時一同形成的，因此保留著原始地球形成時的化學(xué)成分信息。將這些來自地球深部的樣品、地外的隕石和現(xiàn)在地球物質(zhì)的地球化學(xué)成分進行對比分析，對于我們認(rèn)識地球的形成演化和內(nèi)部活動具有重要的意義。地質(zhì)學(xué)家利用類似的方法，對來自地球深部的巖石樣品(如榴輝巖、橄欖巖)進行礦物巖石學(xué)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和地球化學(xué)等方面的研究，推測這些巖石在地球深部的性質(zhì)狀態(tài)，同樣也可以獲得相關(guān)對地球深部的認(rèn)識。但是，地質(zhì)學(xué)/地球化學(xué)方法有一個很嚴(yán)重的局限性，就是能獲取地球內(nèi)部樣品的深度非常有限，也就是說，有相當(dāng)多的地球內(nèi)部物質(zhì)在地球的活動中(如火山噴發(fā))無法到達(dá)地球表面。目前得到確認(rèn)的最深的樣品也不過來自于地下大約二三百公里，盡管比超深鉆深度高上百倍，然而與地球半徑比起來依然相差甚遠(yuǎn)，仍然不能夠提供足夠多的有關(guān)地球內(nèi)部的信息。但是，地球物理方法不受深度限制。

地球物理方法主要依靠穿過地球內(nèi)部的地震波來探測地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，最常見的是P波和S波兩種。P波為壓縮波(縱波)，傳播過程中粒子振動方向和傳播方向平行，傳播速度比S波快，P波能在固體和液體中傳播；S波為剪切波(橫波)，傳播過程中粒子振動方向和傳播方向垂直，傳播速度比P波慢，只能在固體中傳播而無法穿過液體物質(zhì)。地震波在傳播過程中可以穿過地球內(nèi)部，如同對地球進行X光透視或CT透視檢查一樣。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅降厍騼?nèi)部物質(zhì)發(fā)生突變的界面時，地震波會發(fā)生反射和折射，可以根據(jù)地震臺站所接收記錄的地震數(shù)據(jù)(走時，travel time)進行解析，進而確定這些地球內(nèi)部的特殊界面的深度位置。地球內(nèi)部物質(zhì)在這些界面附近會發(fā)生性質(zhì)突變(如密度和波速突增)，這些界面因此被稱為不連續(xù)面(discontinuity)。地球內(nèi)部的主要圈層結(jié)構(gòu)就是通過這些不連續(xù)面而被逐漸識別出來的。地球從外向內(nèi)分為地殼、地幔和地核三個主要圈層結(jié)構(gòu)(圖1)，其中地殼和地幔之間的界面被稱為莫洛霍維奇不連續(xù)面(簡稱莫霍面)，地幔和地核之間的界面被稱為古登堡不連續(xù)面(簡稱古登堡面)，地核內(nèi)部物質(zhì)也不是均一的，而被分為液態(tài)的外核和固態(tài)的內(nèi)核。地球物理學(xué)家在幫助認(rèn)識地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)方面取得了輝煌的成就，現(xiàn)在通用的地球模型也是他們的杰作，而且地球物理對板塊構(gòu)造理論的最終確立功不可沒。那么是不是說地球物理方法就可以解決所有問題了呢？并非如此。地球物理方法得出的結(jié)果在很大程度上依賴于解析過程(正演和/或反演)，地球物理觀測的分辨率(尤其是橫向上)仍然有限，不確定性在公里至數(shù)十公里級別之上，無法完全解析地球內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)的信息，特別是難于解釋地球內(nèi)部物質(zhì)的化學(xué)成分。地球物理學(xué)家目前正在努力提高地球物理數(shù)據(jù)的分辨率，但是僅僅提高分辨率仍然不夠，因為地球物理學(xué)只能告訴我們通過地震波所探測到的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的反映，除了P波和S波速度(VP、VS)以及密度ρ這些參數(shù)(包括相應(yīng)的變換參數(shù)，如彈性模量、泊松比)以外，其他方面的信息極其有限，并不能完全解釋地球內(nèi)部物質(zhì)化學(xué)成分的變化和運動狀態(tài)。另外，要進行大范圍的地球物理觀測必須先建立(包括后期維持)龐大的地震觀測臺網(wǎng)，而這是花費極其昂貴的項目，尤其是在浩淼的大洋地區(qū)。除此之外，地球物理方法只能觀測到現(xiàn)今地球內(nèi)部的一些明顯的大尺度結(jié)構(gòu)，而對地質(zhì)歷史時期中地球內(nèi)部的活動知之甚微，相對于地質(zhì)學(xué)/地球化學(xué)方法來說地球物理方法缺少時間尺度上的約束。

地質(zhì)學(xué)/地球化學(xué)方法通過對地球組成物質(zhì)樣品進行直接的觀測和實驗來認(rèn)識地球內(nèi)部的成分和活動，這是一種“所見即所得”的方法。地球物理方法則通過地震波等工具來對我們所無法觸及的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行間接的推測分析，這是一種“超時空感應(yīng)”的方法。那么，有沒有一種途徑，既能吸取地質(zhì)學(xué)/地球化學(xué)的“所見即所得”，又能結(jié)合地球物理的“超時空感應(yīng)”呢？有！高溫高壓實驗正是這樣的一種方法。

高溫高壓實驗，有時也被稱為超高壓實驗。在地球科學(xué)中，它采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生高壓、高溫環(huán)境，模擬地球內(nèi)部的極端溫壓條件，研究巖石和礦物在這種高溫高壓條件下的物理化學(xué)性質(zhì)等，從而推斷這些巖石礦物(地學(xué)材料)在地球深部的性質(zhì)和狀態(tài)。下面對高溫高壓實驗的一些特點作簡單介紹。

圖1 地球內(nèi)部的主要圈層結(jié)構(gòu)簡圖。地球從內(nèi)向外分為地核、地幔和地殼三部分，地核可以再細(xì)分為液態(tài)的外核和固態(tài)的內(nèi)核。帶箭頭的藍(lán)色線條指示地震波P波在地球內(nèi)部的傳播路徑，由于地震波在地球核幔邊界上的反射和折射作用，P波無法到達(dá)距離震源103o~142o之間的區(qū)域，該區(qū)域被稱為P波陰影區(qū)；而由于S波無法穿過液態(tài)的外核，因此在距離震源103o以外的區(qū)域均接收不到S波，該區(qū)域被稱為S波陰影區(qū)。右上角示殼幔邊界和核幔邊界示意圖：大陸地殼厚度在20～70 km不等，而大洋地殼厚度一般低于10 km，并不斷發(fā)生俯沖作用進入地球深部；大洋板塊有可能會俯沖到核幔邊界之上，因此這里被稱為“板塊的墳?zāi)埂保瑴囟容^低的地方可能或存在后鈣鈦礦這樣的高壓礦物相，溫度較高的地方會產(chǎn)生熔融作用形成上升的地幔柱流(地球背景圖來自于NASA)

2 高溫高壓實驗概述

高溫高壓實驗技術(shù)離不開其他學(xué)科的發(fā)展進步，尤其是物理化學(xué)學(xué)科的發(fā)展為高溫高壓實驗提供了物質(zhì)和理論基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)則使得高溫高壓研究更加定量化和自動化。高溫高壓研究實際上是一門綜合性學(xué)科。

高溫高壓實驗技術(shù)分為動高壓和靜高壓兩種：前者是通過爆破或者高速沖擊方法產(chǎn)生瞬間高壓，后者是通過外界機械從不同方向?qū)ρ芯坎牧线M行逐步加壓而達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)高溫高壓條件。下文主要介紹靜高壓科學(xué)研究在地球深部物質(zhì)研究方面的運用。

高溫高壓實驗的基本工作原理，就是將研究材料放置于超硬材料壓砧(anvil)頂端，然后利用外力(油壓)從不同方向?qū)嶒灢牧线M行施壓，從而產(chǎn)生高溫高壓條件來研究實驗材料在極端壓力條件下的各種性質(zhì)。這里所說的“壓力”(實際上即壓強)等于單位面積上所受的力，即P=F/S，但是在不同的高壓裝置中壓力的標(biāo)定是有區(qū)別的。目前在地球科學(xué)中廣泛運用的主要有以下三種高壓裝置。

常見的活塞圓筒式裝置(piston-cylinder apparatus，PCA)是相對較為簡單的高壓儀器，它利用外界油壓對活塞施壓來產(chǎn)生高壓，這是一個簡單的單軸壓縮，樣品的壓力可以根據(jù)油壓和活塞底面積來計算(P=F/S)，壓力和油壓具有良好的線性關(guān)系?；钊麍A筒式裝置可以獲得最高接近5 GPa的壓力條件(1 GPa = 109Pa ≈ 1萬個大氣壓)。基于安全和穩(wěn)定性考慮，活塞圓筒式裝置在實際運用中主要用于3 GPa以內(nèi)的科學(xué)實驗，即大約100 km深度范圍內(nèi)的深部科學(xué)問題研究。

隨著技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)明了從多個方向施壓的高壓裝置——多面砧裝置[1](multianvil apparatus, MA)，包括4面砧、6面砧以及8面砧，其中后兩者目前較為流行。多面砧裝置從多個方向施壓并減小砧頭的截面積，比活塞圓筒式裝置可以更有效地產(chǎn)生更高的壓力。典型的多面砧裝置如在日本最常見的川井型(Kawai-type)多面砧(6-8型)裝置(圖2)，通常采用二級加壓方式，一級為鋼材料，二級使用碳化鎢壓砧材料，樣品放置于壓砧砧頭之間的傳壓介質(zhì)中。多面砧壓機如果采用超硬碳化鎢材料做二級壓砧，可以獲得大約30 GPa以內(nèi)的高壓；如果采用燒結(jié)金剛石(sintered diamond，SD)做二級壓砧，目前最高則可以獲得100 GPa左右的壓力。

第三種高溫高壓裝置金剛石壓砧[2](diamond anvil cell，DAC)則利用最簡單的原理來產(chǎn)生高溫高壓條件。它采用兩顆寶石級的金剛石，一端切割成近圓錐體，頂端磨成一個面積非常小的水平面，實驗中將兩顆金剛石平行對頂放置(圖3中金剛石壓砧示意圖)，實驗樣品放置于兩顆金剛石之間的密封墊孔內(nèi)。在實驗中必須將兩顆金剛石進行準(zhǔn)確的嚴(yán)格幾何對中，以保證兩顆金剛石切面平行，才能產(chǎn)生盡可能穩(wěn)定均一的壓力條件。金剛石壓砧裝置相對來說結(jié)構(gòu)較為簡單，主要由金剛石砧頭、支撐加壓裝置和外部機械裝置組成，體積小而輕便，攜帶性強，容易操作。金剛石壓砧裝置，則可以達(dá)到超過地核中心(大約364 GPa)的壓力條件，如美國卡內(nèi)基地球物理實驗室曾獲得550 GPa的靜高壓記錄[3]。金剛石壓砧是目前獲得100 GPa以上靜高壓的絕對主要技術(shù)手段。

利用耐高溫電阻材料可以獲得上千攝氏度的高溫，常用的加熱材料如石墨、鉻酸鑭以及部分耐高溫金屬如錸等，根據(jù)不同的實驗溫度要求可以選擇不同的加熱材料。多面砧裝置的加熱主要是利用加熱材料管(如石墨、鉻酸鑭，或者金屬錸等)來完成，可以獲得高達(dá)近3 000 K的溫度，利用熱電偶來測量溫度。在金剛石壓砧實驗中，樣品的加熱分外加熱和內(nèi)加熱兩種方式，現(xiàn)在通常利用激光加熱(內(nèi)加熱)可以獲得近6 000 K這樣的極端溫度(這幾乎快達(dá)到太陽表面的溫度！)，并利用光輻射原理測量溫度。

圖2 Kawai型(6-8型)二級多面砧裝置簡化圖以及二級壓砧和傳壓介質(zhì)中樣品組裝示例

目前的高溫高壓實驗裝置基本上覆蓋了整個地球內(nèi)部的溫壓范圍，但通常的多面砧裝置高溫高壓實驗溫壓條件主要針對上地幔環(huán)境(28 GPa，2 500 K以內(nèi))，使用燒結(jié)金剛石做二級壓砧的多面砧實驗可以達(dá)到下地幔中部壓力條件，金剛石壓砧實驗壓力條件較為廣泛(圖3)。在實際實驗中將溫壓條件控制在一定范圍內(nèi)，其原因主要是基于對實驗裝置穩(wěn)定性和實驗成本的考慮。要想獲得更高的壓力，一方面應(yīng)盡可能減小樣品的受力面積(即減小壓砧的切角)，另一方面則需要使用強度更高的特殊材料(如金剛石)。

多面砧和金剛石壓砧技術(shù)是目前高溫高壓實驗中最常用的兩種技術(shù)，兩者均有各自的特點。金剛石壓砧比多面砧裝置可以獲得更高的壓力和溫度條件，而且金剛石具有良好的光學(xué)性質(zhì)，透光性好，因此便于使用如X光、激光Raman等方法做分析和激光加熱，使其在高壓科學(xué)中得到廣泛的運用；但是金剛石壓砧實驗中樣品體積極小，不足100 μm，如果采用激光加熱，有效加熱區(qū)直徑只有大約10 μm的區(qū)域，難于獲得均勻的溫度場，幾十微米以外的溫度會驟然下降，如后鈣鈦礦(post-perovskite)相變[4](100～130 GPa)實驗中樣品內(nèi)就存在著極高的溫度梯度。多面砧裝置的穩(wěn)定性相對更高，可以產(chǎn)生較好的(近)靜水壓條件和加熱環(huán)境，而且在實驗中可以使用體積相對較大的樣品(從100 μm至厘米級)，這使得多面砧裝置在實際工作中對樣品具有廣泛的選擇性。多面砧與金剛石壓砧在高壓地球科學(xué)研究中是兩種相輔相成、不可或缺的重要技術(shù)，尤其是同步輻射與高壓技術(shù)的結(jié)合[5]，使得科學(xué)家能夠在原位(in situ)條件下研究巖石礦物材料的性質(zhì)，后鈣鈦礦的發(fā)現(xiàn)正是得益于同步輻射技術(shù)在高壓科學(xué)研究中的運用。

圖3 目前高溫高壓實驗所能達(dá)到的壓力和溫度條件示意圖(1 GPa = 109Pa，相當(dāng)于大約1萬個大氣壓)。棕色：KWA/WC，Kawai型多面砧裝置(二級壓砧使用碳化鎢材料)；黃色：KWA/SD，Kawai型多面砧裝置(二級壓砧使用燒結(jié)金剛石材料)；淺黃色：LHDAC，激光加熱金剛石壓砧。上圖(圖片來源：愛媛大學(xué))為安裝在日本愛媛大學(xué)超高壓實驗室的BOTCHAN-6000多面砧裝置；下圖(圖片來源：SPring-8)為安裝在日本同步輻射中心SPring-8高溫高壓實驗站BL04B1站臺的復(fù)合型Kawai多面砧裝SPEED-Mk.II。紅色區(qū)域示地球內(nèi)部的可能溫度條件，溫度隨深度/壓力增加不確定值增加。目前科學(xué)家估計，地球中心的溫度有可能比太陽表面的溫度更高

3 高溫高壓實驗在地球深部研究中的特殊地位

地質(zhì)學(xué)/地球化學(xué)和地球物理方法在地球深部研究中存在一定的局限性，而高溫高壓實驗可謂另辟蹊徑，開拓了新的思路，成為傳統(tǒng)地球化學(xué)/地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)方法之外研究固體地球的利器。

一方面，高溫高壓實驗不受采樣地點的限制，可進行實時原位觀測。傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)/地球化學(xué)采樣是一項非常小心細(xì)致的工作，在野外需要對樣品進行初選，然后在實驗和分析之前需要進一步的篩選，另外還要考慮天然樣品的來源和大地構(gòu)造背景，無法確定來源的天然樣品沒有什么說明意義。另外，天然樣品在從地球深部被攜帶到地表的過程中，幾乎不可避免地會遭受其他地質(zhì)作用的改造和“污染”，包括脫水作用(dehydration)/水合作用(hydration)、再熔融作用(remelting)、交代作用(metasomatism)、變質(zhì)作用(metamorphism)和風(fēng)化作用(weathering)等，這會導(dǎo)致對樣品代表性和來源的解釋變得非常繁瑣和復(fù)雜，并帶有一定的不確定性；而所得到的相關(guān)結(jié)果其實是前面所有這些可能經(jīng)歷過的地質(zhì)作用改造后的最終結(jié)果，換句話說，現(xiàn)在得到的并不是樣品在地球深部原始狀態(tài)時的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，即非原位(ex situ)的結(jié)果。高溫高壓實驗則擺脫了對采樣地點的限制，可以模擬絕大部分地球內(nèi)部環(huán)境，開展廣泛的礦物(巖石)相變實驗、流變學(xué)實驗、熔融實驗等。結(jié)合同步輻射技術(shù)(synchrotron radiation)，可以對高溫高壓狀態(tài)下的樣品實現(xiàn)實時原位觀測分析，這使得分析結(jié)果與這些物質(zhì)在地球內(nèi)部的真實狀態(tài)更加接近，具有極其重要的意義。

另一方面，高溫高壓實驗為地質(zhì)學(xué)、地球物理觀測結(jié)果提供了重要的物質(zhì)解析證據(jù)。地質(zhì)學(xué)上對很多來自地球深部的特殊樣品進行分析時，不得不依靠高溫高壓實驗的結(jié)果來解釋。比如高溫高壓實驗研究表明，SiO2柯石英相和金剛石分別只在大于3 GPa和5 GPa的壓力條件下才能平衡穩(wěn)定，而超高壓變質(zhì)帶巖石中柯石英和金剛石的發(fā)現(xiàn)[6-7]，指示著這些大陸板塊物質(zhì)曾經(jīng)俯沖到100 km以下的深度后又重新折返回地表，這些重要發(fā)現(xiàn)興起了大陸動力學(xué)研究的熱潮。另一方面，地球物理觀測到的是地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如不連續(xù)面)對地震波的反應(yīng)，但它本身無法解釋。比如，地震層析成像(seismic tomography)可以顯示地球內(nèi)部存在的多個不連續(xù)面，但是地球物理學(xué)卻無法從本質(zhì)上(物質(zhì)組成和性質(zhì))對這些地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行合理的微觀解釋。高溫高壓實驗通過對巖石礦物在地球內(nèi)部對應(yīng)高溫高壓狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)研究，不僅可以觀測到礦物在地球內(nèi)部化學(xué)成分的變化，而且可以獲得礦物在地球內(nèi)部物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變(地震波速、密度等)。將這些礦物的物性和地球物理數(shù)據(jù)進行對比分析，獲得了很多一致性的認(rèn)知，從而為地球物理觀測解析提供了重要的佐證。科學(xué)家通過高溫高壓實驗，結(jié)合地球物理觀測結(jié)果，已經(jīng)確定了地球內(nèi)部各圈層的基本物質(zhì)組成。

4 人類目前對地球深部的認(rèn)知

自從高溫高壓實驗在地球科學(xué)尤其是地球深部研究中被廣泛推廣以來，人類對地球深部的認(rèn)知也得到了極大的提高，主要包括以下幾個方面：

(1) 對地球內(nèi)部物質(zhì)組成的基本認(rèn)識。由于無法直接進入地球深部，而能獲取的來自地球深部的樣品又非常有限而且經(jīng)常被后期改造，因此目前唯一的辦法就是創(chuàng)造一個地球內(nèi)部條件，來研究地球組成成分在地球內(nèi)部極端條件下所形成的礦物相，這正是高溫高壓實驗的優(yōu)勢所在。地球內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成見圖4。通過對出露在地表的地幔巖石的分析，地質(zhì)學(xué)上已經(jīng)確認(rèn)了上地幔轉(zhuǎn)換帶(410~660 km之間的地幔部分)以上的地幔巖石組成為橄欖巖，主要包括橄欖石、兩種輝石和石榴子石等礦物。高溫高壓實驗表明，在地幔轉(zhuǎn)換帶[8-9]中地幔巖石/礦物會發(fā)生相變，主要成分為瓦茲利石/林伍德石和石榴子石；下地幔的主要成分為硅酸鹽鈣鈦礦和鐵方鎂石，其中直到下地幔底部被稱為D"層的核幔邊界之上的深度位置，鎂硅酸鹽鈣鈦礦有可能會轉(zhuǎn)變成為后鈣鈦礦。后鈣鈦礦的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是21世紀(jì)初高溫高壓實驗在固體地球科學(xué)研究中取得的最突出成果，是由東京工業(yè)大學(xué)的日本科學(xué)家利用金剛石壓砧實驗最先發(fā)現(xiàn)的。地核的分層結(jié)構(gòu)最初是由地球物理觀測發(fā)現(xiàn)的，但是對于其物質(zhì)組成方面的研究仍然離不開高溫高壓實驗。高溫高壓實驗證明地核主要是由鐵元素構(gòu)成的。實驗揭示純固態(tài)鐵在內(nèi)核條件下的密度和彈性參數(shù)與地球物理觀測結(jié)果非常吻合，說明內(nèi)核基本上由純固態(tài)鐵構(gòu)成，而僅含有極少量的其他輕元素；但是外核比相同狀態(tài)下的純鐵密度要小約10%，說明外核含有相當(dāng)量的其他輕元素(如C、H、O、S、Si等)，可能為鐵鎳合金。目前關(guān)于地核中所含輕元素的種類和含量，學(xué)界尚存較多爭議，還未達(dá)成一致的觀點看法。針對地核條件下的高溫高壓實驗的開展仍然比較困難，壓力極高實驗風(fēng)險也極大，而且成本極高。

(2)對地球內(nèi)部物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)的基本認(rèn)識。僅僅了解地球內(nèi)部物質(zhì)是什么還不夠，還需要知道這些物質(zhì)在地球內(nèi)部的性質(zhì)和狀態(tài)，這也必須依靠高溫高壓實驗。出露在地表的巖石，進入到地幔中以后，會發(fā)生脫水和相變，新的高壓礦物將形成。這些高壓礦物的性質(zhì)與地表(常溫常壓)礦物在結(jié)構(gòu)和物性上具有很大的差異，波速會升高，密度會增大。另外還可以研究這些礦物的含水性(hydrous solubility)、導(dǎo)電性(electrical conductivity)、物理彈性(physical elasticity)、地球化學(xué)分異(geochemical differentiation)、流變學(xué)(rheology)特征等，這對于認(rèn)識地球內(nèi)部物質(zhì)的形變和運動狀態(tài)非常重要。利用高溫高壓實驗研究礦物和巖石在地球深部的賦存狀態(tài)以及變形機制，有助于我們認(rèn)識火山作用、板塊運動、地幔柱(mantle plume)活動等地球動力學(xué)問題。例如與巖石圈深俯沖相關(guān)的動力學(xué)行為研究中，巖石圈巖石在地表時密度和強度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地幔巖石的密度和強度，但是一旦俯沖到地球深部以后，其內(nèi)部的礦物發(fā)生相變形成新的高波速、高密度、高強度礦物，將會改變原來的巖石圈和周圍地幔的密度和力學(xué)強度關(guān)系，這對于探討巖石圈的深俯沖和折返具有重要的意義。

圖4 地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和主要物質(zhì)成分(修改自本文作者的博士論文)。圖左天然礦物(圖片來源：http://www.minerals.net/)分別是石英、正長石、橄欖石、透輝石和鈣鋁榴石；翠綠色含水瓦茲利石為德國拜羅伊特大學(xué)高溫高壓實驗室科學(xué)家Steven Jacobsen在高溫高壓條件下合成的地幔轉(zhuǎn)換帶含水礦物，圖片來自文獻(xiàn)[1]；下方示下地幔底部、核幔邊界之上D"層可能存在的鈣鈦礦-后鈣鈦礦相變(http://www.sci.ehime-u.ac.jp/~takut/)以及地核中可能存在的三種鐵結(jié)構(gòu)(http:// www.psc.edu/science/Cohen_Stix/cohen_stix.html)。地球內(nèi)部主要的不連續(xù)面的深度以及對應(yīng)的壓力和溫度在圖中進行了標(biāo)示，但是目前對地球內(nèi)部的溫度還缺乏足夠的了解認(rèn)識，主要是根據(jù)高溫高壓實驗結(jié)果來推測的

(3)為地球物理觀測提供不可或缺的解析證據(jù)。地球物理觀測結(jié)果的解析具有多樣性和不確定性的特點，解析的分辨率往往都是大尺度的(數(shù)十公里以上)，難于給出本質(zhì)的解釋；而高溫高壓實驗則從微觀小尺度入手，以最簡單的體系開始為研究對象，通過對體系內(nèi)礦物巖石性質(zhì)的研究，搭建起地球物理和(高溫高壓)實驗巖石學(xué)的橋梁，為地球物理觀測提供重要的物質(zhì)學(xué)解析基礎(chǔ)。例如，地球物理觀測在20世紀(jì)早期就確認(rèn)了地幔中主要的不連續(xù)面的存在，但在對這些不連續(xù)面解釋時，由于當(dāng)時缺乏相應(yīng)的實驗物質(zhì)證明，無法完全證實Birch等[10]有關(guān)橄欖石的高壓相變和上地幔中不連續(xù)面密切相關(guān)的觀點。到了20世紀(jì)60~70年代，隨著地球物理研究水平的提高(同時也是板塊構(gòu)造理論逐漸確立地位的時期)，以澳大利亞國立大學(xué)的林伍德(Ringwood)、劉林根(Liu Lin-Gun)和日本的秋本俊一(Akimoto Shunichi)、伊藤英司(Ito Eiji)等為代表的眾多科學(xué)家對包括橄欖石在內(nèi)的主要地幔礦物進行了系統(tǒng)的高溫高壓實驗研究，才確立了上地幔中的主要不連續(xù)面是由橄欖石的高壓相變引起的普遍認(rèn)識[11]；而對于下地幔底部、核幔邊界之上神秘的D″層，也是隨著2004年高溫高壓實驗中后鈣鈦礦[4]的重大發(fā)現(xiàn)而有了全新的解釋和認(rèn)識。

5 高溫高壓實驗在地球科學(xué)中的發(fā)展前景和展望

地球科學(xué)是揭示大自然秘密的科學(xué)之一，但是地球科學(xué)相對于其他基礎(chǔ)學(xué)科如物理、化學(xué)來說，往往不被承認(rèn)是一門獨立的學(xué)科，因為傳統(tǒng)地球科學(xué)中定性描述太多而定量分析卻比較困難，這使得地球科學(xué)有時候會淪為其他學(xué)科的應(yīng)用學(xué)科領(lǐng)域或者邊緣學(xué)科。然而，地球科學(xué)具有其獨特的科學(xué)特點，現(xiàn)在的地球科學(xué)理論基礎(chǔ)在相當(dāng)大程度上是建立在板塊構(gòu)造理論之上的，該理論以板塊運動為中心成功解釋了很多地表地質(zhì)現(xiàn)象。隨著地球科學(xué)的新發(fā)展，人們也逐漸認(rèn)識到板塊構(gòu)造理論的局限性，板塊構(gòu)造理論討論的地質(zhì)現(xiàn)象基本上只限于地表(主要是巖石圈范圍)附近的二維運動學(xué)變化，而對于地球深部物質(zhì)的運動狀態(tài)的認(rèn)識卻很少涉及。地球是一個整體的系統(tǒng)，地球深部的運動和地球表層的響應(yīng)是我們認(rèn)識地球本身最基本的出發(fā)點，高溫高壓實驗則是我們了解認(rèn)識地球深部運動和地球表層響應(yīng)的重要途徑之一。

高溫高壓實驗不是地球科學(xué)所獨有的實驗方法，但在地球科學(xué)中的運用得到了長足的發(fā)展，其主要原因在于所產(chǎn)生的高溫高壓條件與地球(行星)內(nèi)部環(huán)境非常一致，這使高溫高壓實驗研究具有了可推廣運用的廣闊領(lǐng)域。高溫高壓實驗運用的是其他基礎(chǔ)學(xué)科的技術(shù)方法，而在地球科學(xué)中研究的對象主要以地球深部物質(zhì)為主，因此它是目前地質(zhì)學(xué)/地球化學(xué)和地球物理方法之外研究地球內(nèi)部最主要的手段。

傳統(tǒng)地球科學(xué)是以主要研究地球表層運動學(xué)的板塊構(gòu)造理論為基礎(chǔ)，而高溫高壓實驗主要以地球深部物質(zhì)為研究對象，這使得難以將新興的高溫高壓實驗研究劃分到任何傳統(tǒng)的地球科學(xué)分支中。但是需要注意的是，高溫高壓實驗仍然是以基本的物質(zhì)學(xué)研究為基礎(chǔ)的，只是研究對象是(地球深部)高溫高壓狀態(tài)下的物質(zhì)材料；同時在對實驗結(jié)果進行解釋和外推時，需要考慮適用的大地構(gòu)造條件和地球內(nèi)部環(huán)境，從而對相關(guān)的地球動力學(xué)問題進行合理的解釋和推測。

地球深部高溫高壓實驗研究以地球深部物質(zhì)的相變?yōu)榛A(chǔ)，首先解決的就是地球內(nèi)部物質(zhì)“是什么”的問題，然后才有可能開展其他如流變學(xué)方面的研究。高壓相變實驗主要研究礦物和巖石體系在地球深部條件下的礦物組成和化學(xué)成分變化，這是基本的礦物學(xué)(結(jié)晶學(xué))和巖石學(xué)研究；在高溫高壓狀態(tài)下分析礦物和巖石的微觀結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，這是顯微構(gòu)造方面的研究；將實驗中微觀尺度的現(xiàn)象推廣到地球內(nèi)部的宏觀尺度并解釋相關(guān)的地球動力學(xué)現(xiàn)象，這是大地構(gòu)造方面的工作。高溫高壓實驗中除了特定的產(chǎn)生高壓高溫的裝置以外，運用的也是常用的分析手段，如X光衍射可以用來做物相鑒定和研究礦物的晶體結(jié)構(gòu)，電子顯微鏡可以用來分析樣品的(超)顯微結(jié)構(gòu)和基本的物相分析，電子探針(以及二次離子探針質(zhì)譜儀SIMS)可以用來分析樣品的化學(xué)元素組成，激光Raman光譜可以用來鑒定物相等，很多相關(guān)的技術(shù)都是從物理化學(xué)領(lǐng)域引進來的。

高溫高壓實驗重視學(xué)科交叉，充分利用物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機等學(xué)科的優(yōu)秀成果來發(fā)展高壓地球科學(xué)[12]，如實驗分析儀器尤其是高壓裝置設(shè)備很大程度上運用了物理化學(xué)和材料學(xué)的技術(shù)，礦物晶體學(xué)分析中運用了眾多物理化學(xué)和熱動力學(xué)方面的知識，在對實驗數(shù)據(jù)進行處理分析過程中運用各種數(shù)學(xué)分析方法，而從實驗運行到數(shù)據(jù)處理都廣泛運用了計算機控制和計算?，F(xiàn)代地球科學(xué)的發(fā)展越來越重視學(xué)科的交叉綜合運用，我們已經(jīng)開始告別單學(xué)科獨進的階段，而高溫高壓實驗正是傳統(tǒng)地球科學(xué)在未來的發(fā)展方向之一。國外同行在高溫高壓實驗方面的研究比國內(nèi)領(lǐng)先數(shù)十年，他們在這方面積累的經(jīng)驗很值得借鑒。目前在世界上，高溫高壓實驗結(jié)合同步輻射技術(shù)取得了大量的優(yōu)秀成果，更多先進的技術(shù)，包括中子衍射(neutron diffraction)、布里淵散射(Brillouin scattering)、核共振散射(nuclear resonant scattering)以及三維X光衍射及成像(3-D X-ray diffraction and tomography)等，在高溫高壓實驗中的運用，進一步推動高溫高壓實驗向高精尖方向發(fā)展。

由于高溫高壓地球科學(xué)在國內(nèi)起步較晚，目前還面臨著較大的挑戰(zhàn)[13-14]，結(jié)合中國地學(xué)界的實際情況，暫時將其劃歸到實驗巖石學(xué)或許是可行的方案之一。現(xiàn)在地球深部高溫高壓實驗研究已經(jīng)在國內(nèi)啟動，活塞圓筒式裝置已經(jīng)在部分高校和研究機構(gòu)開始運行，多面砧裝置在吉林大學(xué)、北京大學(xué)以及中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)也已經(jīng)進入了正常運營狀態(tài)。尤其是中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球深部研究實驗室Walker型多面砧裝置已經(jīng)完成24 GPa以內(nèi)的壓力標(biāo)定，并成功進行了橄欖石→瓦茲利石→林伍德石→鈣鈦礦+方鎂石的高壓相變實驗[15]以及巖石體系的相變實驗[16]，這意味著中國科學(xué)家已經(jīng)可以開始獨立自主地開展上地幔轉(zhuǎn)換帶深度條件下的大體積壓機靜態(tài)高壓實驗了。

但是高溫高壓實驗研究也受到一些因素的制約：一方面是高溫高壓實驗技術(shù)在很大程度上依賴物理、化學(xué)、材料學(xué)的發(fā)展，在產(chǎn)生高溫高壓的過程中必須使用極高強度的(耐高溫)材料來維持穩(wěn)定的高溫高壓狀態(tài)，這需要首先開發(fā)出適用的材料，然后才有可能進行相應(yīng)條件的實驗；另一方面則是高溫高壓實驗的成本非常高，實驗中需要使用一些貴重金屬(如Re)和耐高溫加熱材料(如LaCrO3)，以及用來產(chǎn)生高壓條件的超硬材料(如碳化鎢、金剛石)，高溫高壓裝置以及配套設(shè)施的建設(shè)和維護也需要一定的資金來支持。建議綜合考慮科學(xué)研究目的和經(jīng)濟能力，選取合理的高溫高壓實驗研究課題來開展研究工作。

高壓地球科學(xué)雖然是一門相對年輕的學(xué)科分支，但同時也是正在加速發(fā)展的新興學(xué)科。在極端高溫高壓條件下，原子/分子之間的間距減小，相互作用增強，物質(zhì)材料原有的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，同時物理性質(zhì)(彈性、電磁等)也隨之改變，所以高溫高壓實驗有利于新材料的發(fā)現(xiàn)。高溫高壓實驗的運用范圍不僅僅局限于地球科學(xué)，它在國防科學(xué)、行星科學(xué)、物理、化學(xué)、新材料等方面的運用取得了諸多成果，如超導(dǎo)材料、超硬材料等特殊材料的開發(fā)，主要就是利用材料在高壓狀態(tài)下一些特殊性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。其中最引人注目的就是金剛石的人工合成，21世紀(jì)甚至被預(yù)言稱為金剛石的世紀(jì)，現(xiàn)代高壓科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也是受金剛石商業(yè)化合成需求的刺激而迅速發(fā)展的。目前美國和日本在該領(lǐng)域具有國際領(lǐng)先水平。美國卡內(nèi)基地球物理實驗室的科學(xué)家利用化學(xué)氣相沉積法成功合成了超10克拉的單晶金剛石。日本愛媛大學(xué)超高壓實驗室和住友電工合作在高溫高壓條件下完成石墨—金剛石的直接轉(zhuǎn)化，近年來在納米聚晶金剛石(nanopolycrystalline diamond, NPD)的研發(fā)方面取得了不斷進步，高壓合成的聚晶金剛石硬度甚至比天然金剛石更高，目前合成金剛石體積已經(jīng)達(dá)到厘米級(圖5)，可以根據(jù)需要加工成相應(yīng)的金剛石產(chǎn)品供科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)運用。極端高溫高壓條件下物質(zhì)材料的研發(fā)，被視為未來最有潛力取得重大科學(xué)突破的研究領(lǐng)域。

圖5 日本愛媛大學(xué)超高壓實驗室合成的人造金剛石以及合成設(shè)備裝置。左上角示人工合成的尚未加工和初步加工過的聚晶金剛石，中間示加工而成的直徑為7.5 mm的聚晶金剛石真球體、錐體和立方體，左下角示加工后用作金剛石壓砧研究以及多面砧高溫高壓實驗的聚晶金剛石砧頭(anvil)成品；右圖示用來人工合成聚晶金剛石的BOTCHAN-6000超高壓多面砧裝置(圖片來自愛媛大學(xué)：http://www.ehime-u.ac.jp/~grc/)

(2014年3月10日收稿)

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The “bright lamp” into the deep Earth: experiments at high pressure and high temperature

ZHOU Chun-yin①，JIN Zhen-min②
①Ph. D., ②CAS Member, Faculty of Earth Sciences, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China

The Earth is the homeland of humans for living on and development. Our knowledge of the Earth’s interior is relatively limited compared to surface layer (atmosphere, hydrosphere, and biosphere). Geological/geochemical approach interprets the properties of constituent materials in the Earth’s interior by analyzing the minerals and rocks once occurred in the deep Earth but now were brought onto the surface and meteorolites from outer space. Geophysical approach probes the structure of the Earth’s interior using seismic waves. With the improvement of high pressure and high temperature (HPHT) experimental techniques in the last more than a half century, scientists are able to create the extreme high pressure and temperature environment of the Earth’s interior. Moreover, with various modern analytical technologies, the nature and property of rocks and minerals under high pressure and high temperature conditions have extensively been in situ studied. All of these studies advanced our understanding on the composition and structure of the deep Earth. Therefore, the HPHT experiments become the “bright lamp” to detect the structure and composition of the deep Earth.

high pressure and high temperature experiment, deep Earth, geology, geophysics

(編輯：沈美芳)

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.02.001