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礦物科技:透視地球深處的窗戶

102/02/04 瀏覽次數 17988
什麼是極限環境(extreme condition、extreme environment)?極限環境是指相對於人類日常活動範圍的另一極端環境,譬如地底深處或太空。人類賴以生存的地球表面,溫度大約從攝氏零下數十度(南極曾有-94.5度的紀錄)到五十幾度,而壓力大概是1大氣壓。

科學家利用太空飛行器及各種儀器觀察太空,得知太空是一高真空、極低溫(攝氏-270度左右)的環境。人類雖已有能力發射飛行物至太空探測或搜尋外太空生物,但到21世紀的今天,人類在地球上所能工作的最深地方,也不過是離地面大概3.9公里深的南非黃金礦坑,以及位在俄羅斯北邊極圈、大約12.3公里深從事科學研究的超深鑽孔。這二者相較於地球的6,400公里半徑,有如雞蛋上薄薄的蛋殼。而地心深處壓力預估超過300萬大氣壓,溫度則高達攝氏4,000度以上。

對於地底深處,人類一直充滿好奇。最早描寫地底深處的科幻小說是1864年法國儒勒.凡爾納(Jules Gabriel Verne)的《地心歷險記》,曾分別在1959與2008年拍成電影〈地心歷險記〉及〈地心冒險〉。另外,1990年代美國普魯斯(Paul Preuss)的小說《地核》,2003年也被拍成電影〈地心毀滅〉。

地下世界知多少

人類至今所能觸及的地球深度也就十幾公里,那我們如何了解地球內部?現在人類獲取地球內部訊息的方法,是從可能影響我們身家性命安全的地震,用一些數學模型把地震資料轉換成地震波速度,進而獲得地底物質密度與深度的關係。地震學家從速度及密度在某些深度呈現急遽變化,判斷地球剖面就如洋蔥般是層狀的結構。

就這層狀結構,地球物理學家把地球內部構造區分成地函及地核兩大部分,地函又依深度分為上部地函、過渡帶及下部地函,地核則分為外核及內核。根據剪力波無法在液體中傳遞的物理原理,地震波的資料告訴我們所謂的外核有可能是高溫液態的物質。雖然地震資料已提供地表到地心的物理狀態,但無法得知地球內部物質的化學成分、晶體結構及溫度。我們能從這些地震資料及地表所看見的岩石,來推測整個地球的成分及溫度嗎?

透視地底

「工欲善其事,必先利其器」,要了解地球內部的「祕密」也不例外。如果沒有哈佛大學物理系布立基曼(Percy Bridgman)教授從1910至1930年代對大體積壓力機的改進,地球科學家對地球內部的了解可能要晚很多年。布立基曼因為高壓方面的研究成果,榮獲1946年的諾貝爾物理學獎。

布立基曼改進的大體積壓力機,是以楔形設計的金屬砧尖端對壓產生壓力。1930年代,布立基曼設計的壓力機可產生的壓力高達10萬個大氣壓,相當於地底300公里深處的壓力。當時哈佛地球科學系達理(Reginald Daly)教授認為,如能以這種高壓實驗設施來測量像地面所見的礦物在高壓下的物理性質,進一步比對地球物理資料如地震波速及重力資料,就可以進一步了解地球內部物質的成分。因此,達理與布立基曼在哈佛大學成立以高壓實驗為主的實驗地質學及地球物理學(地震學)兩個研究團隊。

布立基曼當時的博士班學生柏奇(Francis Birch)負責高壓實驗,他在1952年所發表的文章〈彈性性質及地球內部成分〉,就是結合物質的物理性質測量及地球物理觀測來解釋地球內部為何是層狀結構,並提出地球內部的可能成分。從此揭開對地球內部的研究,他也因此被稱為「礦物物理之父」。

1950年代末,科學家發明另一型高壓儀器—鑽石高壓砧,它會成為研究物質在高壓下特性的主要設備之一是個意外。1958年,美國國家標準局的法爾肯保(Alvin Van Valkenburg)把試樣夾在兩鑽石砧面間,想導入紅外光線進行觀察,但因為這兩砧面沒平行對準,法爾肯保發現有所謂「高壓區」的產生,而在這區域的物質光學特性也改變了。這時科學家發現,用這樣的儀器可以直接觀察物質在高壓下的性質變化。自此,大體積壓力機及鑽石高壓砧同時成為研究地球內部物質的主流實驗設備。

過去60年來,鑽石高壓砧的發展在形式上沒改變多少,基本上是把兩顆珠寶業所稱的燦爛切割型鑽石頂點切平,然後使兩頂端面相對,在這兩鑽石外端施力,兩頂端面間,即樣品腔中,就會產生很高的壓力。在適當的砧面設計及操作下,鑽石高壓砧的壓力可達接近地心300萬大氣壓的壓力。

鑽石高壓砧產生高溫的主要方法有二。一是在這兩鑽頂端面夾一金屬或石墨做為電阻,在鑽石高壓砧外加電壓、電流使電阻發熱,而讓實驗樣品可同時處於高溫高壓狀態。二是所謂的雷射加溫法,即把高功率的雷射光引入鑽石高壓砧的樣品腔,使樣品吸收雷射光而產生高溫,這種方法可加溫高達4,000~5,000K。

相對於鑽石高壓砧,這些年來發展出許多不同的大體積壓力機設計。因為是由液壓力機來產生高壓,所以其裝置體積比只有手掌心大小的鑽石高壓砧來得巨大。大壓力機所能達到的最高壓是125萬大氣壓,雖然不及鑽石高壓砧,但大體積壓力機所能工作的樣品體積,比鑽石高壓砧至少多出2,000倍以上,使大體積壓力機在某些高壓物理測量上有較好的定量結果。

大體積壓力機也可讓實驗樣品同時在高溫高壓下測量,簡單說,也是把特殊的較低電阻的石墨、金屬或陶瓷材料包覆樣品腔外施予電流、電壓使其發熱。

物質在極限環境中的反應

大多數讀者可能熟悉臺灣超級馬拉松跑者林義傑為挑戰自己肉體及心靈的極限,在地球表面極冷的南極冰原或極熱的沙漠中長跑。但我們是否見過有形物質在極限環境中的反應?

日常生活中最常見的例子就是「水」。當把水置入冰庫中,就凝結成固體冰,而加熱到約攝氏100度的沸點,它會變成水蒸氣。水、冰、水蒸氣三者的不同點,在於水分子相互之間的排列方式。

分子或原子的排列方式稱為結構,當這些原子或分子在三度空間一直規律地重複延伸時,這結構就稱為「結晶相」,例如調味用的食鹽及糖都是晶體結構的物質。在地質上,最知名的例子就是我們周遭常見的碳,它在地表環境常以軟滑、烏黑的石墨形態存在,在地底200 公里深處以下則以堅硬而透明的鑽石存在。由石墨變成鑽石就是受溫度及壓力的影響,而且物理性質截然不同。

地球內部

地球表面的礦物會由於環境不同而產生結構變化,進而改變其物理性質,使得地球內部的地震波及密度在不同深度有不同的變化。1960年代以後,地球科學家把地球上最常見的礦物以高壓裝置加壓加溫至地球內部的環境,觀察它們結構或成分的改變。將近60年的努力,這些高壓實驗的結果也大致解釋了地震波所建立的地球內部模型。

地函的組成是以矽酸鹽及氧化物為主,地函中那些震波速度或物質密度驟然升高的深度,都代表矽酸鹽在這些深度產生了結構變化。而所謂地核,應是鐵的合金,從地震波所顯示的熔融外核及固態內核,又可解釋地球磁場的生成機制及地球磁場反轉的現象。

雖然可用儀器測量地熱及用源自地底深處的岩石來判斷地溫梯度,但都局限在很淺的深度,頂多至地下200公里深,尚無法提供地球內部詳細的溫度與深度關係。地球內部的溫度關係到地球的內部動力,如層與層之間是否有物質交換?板塊隱沒的深度?在地表所看到的岩漿,如夏威夷島的融岩或冰島的火山岩漿,是從哪個深度上來的?地核到底有多熱?這些資料攸關地球過去的演化歷史,也可用來探討地球將來的命運。

地球內部的溫度可由前述的高溫、高壓實驗來模擬,再以地球物理觀測來探討。目前科學家對地函的溫度有比較確切的認定,但因實驗上要達到更深部的溫度及壓力以目前技術非常困難,所以有關地核深處的溫度及化學成分仍然有許多疑問,例如到底是何種元素與鐵在地核形成合金?這是現今實驗礦物學者與實驗岩石學者要一起努力的方向。

地球之外又如何

雖然人類活動範圍以地球表面為主,但對整個太陽系有太多想了解的未知。譬如太陽系的八大行星中,木星及土星的體積相當大,分別是地球的1,320倍及760倍,質量卻只有地球的320倍及96倍,因為這兩行星的成分以多量的氫及少量的氦等輕元素為主,不像地球固體部分以氧、矽、鎂、鐵、鈣等稍重元素為主。

在地球表面,氫及氦就我們所知都以氣態存在,在木星及土星又是怎樣的情形?從高壓實驗及天文觀測,可以想像我們在木星及土星表面將呼吸氫—氦大氣,但可能游泳或住在氫氦混合的大海中,在這大海的底部是混氦的氫金屬。

研究物質在極限環境中的變化,提供了對行星內部化學成分及物理狀態的了解,那還有其他的應用嗎?

別忘了當初布立基曼發展高壓裝置是為了研究物質在高壓下的物理行為,自此這樣的研究一直延續至今,因此也發現許多新現象。譬如我們所知道的水在日常生活環境中的狀態有水、冰及水蒸氣,但在高壓時就有許多冰相(已命名至12相);或是原本所謂非金屬物質被施以高壓後能變成超導物質,如硼。學者可藉由這些新現象或新物質來檢驗現存的理論或發展新的理論,因此探討物質在極限環境下的反應,是開拓人類知識新視野的重要途徑。
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