江苏龙网

  1. 首页 > 人文 > >

【中国工程院院刊】前沿综述丨深部挥发物是四维地球系统中能源与环境的关键( 二 )


随着深度的增加 ， 天然样品变得越来越罕见 ， 超过700km的深度完全无法获得 。 实验研究和中心设施的仪器研发对于我们早日理解深部物质和能源至关重要 。
张莉等描述了在地球深部的压力-温度条件下 ， 利用同步辐射原位高压多晶X射线衍射技术探测多相体系的独特能力 。 这种强大的技术能够在金刚石对顶砧中对多个物相组合中的单个晶粒进行强有力的晶相识别和结构测定 。 张莉等将该技术应用于一系列重要问题研究 ， 如在百万巴（1bar=0.1MPa）压力下探测含铁布里奇曼石（Bridgmanite）的分解、识别(Fe,Al)OOH中的六方含水相（HH） ， 以及(Mg,Fe)SiO3后钙钛矿（pPv）和赛石英（SiO2）的晶体结构测定等 。
毛立文等证明在极端条件下 ， 将纳米X射线透射显微技术（nanoTXM）与金刚石对顶砧技术结合 ， 为极端条件下的材料高空间分辨率、非破坏三维成像创造了令人兴奋的机会 。 例如 ， 毛立文等的研究结果表明 ， 原位高压nanoTXM技术可用于确定材料的状态方程 ， 而这用同步辐射X射线衍射或微米级的X射线断层扫描技术是难以表征的 。
Ishii等报道了使用碳化钨压砧的Kawai型多面顶压机在产生高压方面的突破 ， 它可以提供比金刚石对顶砧压机大三个数量级的样品 。 这些学者已经将该设备产生的压力提高至65GPa ， 比之前的纪录高出2.5倍多 。
Navrotsky的研究表明 ， 地球和材料科学中许多突出的问题将受益于三种方法的进步和整合：实验热力学、结构研究和计算方法 。 这些方法的整合开始提供对复杂固体中稳定性和反应活性的新理解 ， 并应用于极端条件下的矿物和行星内部结构研究 。
Kong和Lee介绍了在俯冲带条件下纤维蛇纹石碳化的实验结果 ， 这提高了我们对蛇纹石矿物在深部碳循环中的作用的理解 。
Binns等描述了高压下铜-氢（Cu-H）体系的结构研究 ， 该体系在储氢方面有重要应用 。
计算研究和数据科学补充了其他研究深部物质和能源的方法 。
Tse描述了研究极端条件下材料化学和输运特性的第一原则方法 。 他提供了广泛的地质应用 ， 包括：地核富铁卤化物的稳定性 ， 为缺失卤素的悖论提供了一个潜在的解决方案；在地幔条件下 ， 二氧化碳和二氧化硅的化学行为；上地幔中水的形成；碳酸钙熔体的黏度；以及方镁石的热导率等 。
Hazen等建立的大型和不断增长的数据资源正迎来一个数据驱动矿物学发现的新时代 。 新数据驱动方法包括矿物演化、矿物生态学和矿物学系统的网络分析在内的各种方法解决了矿物在空间和时间上的分布和多样性问题 。 这些策略有助于加深对矿物共生的理解 ， 并有助于预测地球上尚未发现的矿物种类 。
最近的高压-高温实验和理论研究表明 ， 下地幔底部（深度超过1800km）到内地核（深度为5280km） ， 受到完全不同于外壳层的化学和物理作用的控制：铁能裂解水 ， 使地核-地幔边界成为巨大的氢发生器和氧库 。 这种持久的氢源 ， 加上氢与其他挥发物反应形成氨、水和碳氢化合物 ， 为生命和有机能源提供了必要的成分 。 这种氧库作为核-幔边界D′′层的地震异常可被探测到 。 这种氧库积累到临界饱和点 ， 最终会导致氧爆发 ， 为零星或周期性的全球灾难提供内部机制 。 并对地质历史上的重大事件提出了统一的假设 。 在地球动力学上 ， 氧的爆发为热对流增加了化学超羽流的对流驱动力 ， 并可能导致超大陆的分裂和合并 。 从岩石学上讲 ， 在上地幔岩石中加入挥发性组分会降低上地幔岩石的熔化温度 ， 并产生大型火成岩区（LIP） 。 在环境方面 ， 过量氧气的上升将导致巨大的氧化事件和雪球地球 ， 这将导致生物大灭绝 。 因此 ， 对深部挥发物问题的多学科研究是理解四维地球系统的关键 。
本期“深地物质与能量”专题的文章有：
数据驱动型研究方法在矿物学领域里的新发现——矿物数据资源、数据分析和可视化的最新研究进展


推荐阅读


上一篇：听静静撩运营■短视频内容营销可以为企业带来哪些好处？

下一篇：木易机械@30 一夜沦为“学生机价”网友：确认过眼神，买得起了，华为mate