美国科学家进行的一项最新研究，首次发现极高的温度和压力如何在亚原子层面上对地幔中矿物质产生影响。该研究成果有望加深人们对火山、地震和大陆漂移等与地幔相关活动的理解。相关论文发表在9月21日的《科学》杂志上。
地幔是分布在地表以下40公里到2900公里范围内的半固体层，它偶尔会通过火山锥和深海口冒冒泡泡。当温度和压力攀升到极限时（平均摄氏4500度、130万个大气压），构成地幔的物质会发生奇特的变化。比如，氧化铁会变成镁方铁矿（Mg,Fe）O，而含镁和硅的混合物也会压缩形成钙钛矿MgSiO3。
在最新的研究中，美国Lawrence Livermore国家实验室的林俊孚（Jung-Fu Lin，论文第一作者）和同事对下地幔（lower mantle）中发生的情况进行了模拟。他们利用钻石砧室（diamond anvil chamber）将氧化铁加压到93万个大气压，并通过激光将砧室加热到摄氏1750度。在此基础上，研究人员分析了铁元素放射出的X射线光谱，并精确确定了单个铁原子内电子的重新排列。
研究人员发现，极端的高温高压会导致越来越多的自旋电子配对，并产生自旋抵消。因此，铁离子会从高自旋态逐渐转变为低自旋态。不过，新的研究表明，这一转变过程是渐进的，也就是说，在下地幔中，这两种自旋状态可以在广泛的温度和压力范围内共存。这是之前的研究都没有发现的状况。
该结果说明，地幔可能无法被分割成离散的高自旋态或低自旋态层，科学家必须重新调整观测技术，来更深入地研究地幔。与处于高自旋态的镁方铁矿相比，低自旋态的密度更高，声音传播速度也更快。这一差异会影响地幔中镁方铁矿和钙钛矿对地震波的反射，从而干扰科学家对地球内部成分及其动力学的研究。
美国弗尼吉亚理工学院的地球物理学家Scott King表示，地球下地幔的本质绝对“值得进一步探测”，尽管这会很难，因为下地幔各个层之间已经很难再有明确的界限。美国Transdyne公司的J. Marvin Herndon认为，类似的研究可以在硫化钙和硫化镁上进行，因为这两种矿物也会影响科学家利用地震波观测地球深处并建立精确的地球内部模型。
最新研究表明，下地幔可能很难明确地分层（图片来源：USGS）
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