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地科研究:探討地球內部的利器–鑽石高壓砧

91/11/01 瀏覽次數 7699
我們對地球的了解,主要藉助直接和間接的方式。前者如一般的地質調查或鑽井等方式,由直接觀察中明瞭地球表面的組成及地質現象。然而,這種方式只能觀察不超過十公里左右地殼淺層的現象,至於地球內部的情形,則非直接觀察所能辦得到。因此,對地球內部的研究,就必須採用間接的方式。

研究地球內部的間接方式有很多種,如地震波、地熱、地磁、重力等地球物理的觀察,以及藉由地球化學方法研究外太空來的隕石、月岩,及地函來的擄石等。其重要方法之一為透過觀測地震引起的地震波,藉著各種波在地球內部傳遞的速度變化,推導出地球內部的結構,及對化學組成作粗略的勾劃。至於再詳盡的描述,如組成礦物相的分布、地溫梯度的估計、地函對流模式,甚至地球的演化等,均須仰賴實驗,以提出可靠的資料和依據。我們知道,地球內部是處於高溫高壓的狀態,因此,高溫及高壓的實驗研究有助於了解地球內部的組成、結構及熱傳送模式等。

高壓實驗方法

施加壓力的方法,一般可以分為動態和靜態兩種。前者最常見的便是以爆破方式驅動金屬片撞擊樣本,通常在數微秒的短暫時間內產生極強的震擊波。被撞擊的樣本基於動能、動量守恆定律及質量平衡關係,往往在這短暫的瞬間內承受極大的壓力。

一般來說,震擊波可以使樣本輕易地達到數百萬巴的壓力,因此,早期就用來當作研究物質在高壓下物理性質的工具。然而,一來因為實驗本身設施昂貴、技術性高,再者又因樣本在受撞擊時處於絕熱的環境下,系統的溫度不易估計,加上在研判相變時,對相的辨認也不明確。因此,在探討物質的高壓物理性質上,便不如靜態壓力機那麼有利了。

靜態加壓儀器可分為許多種,其原理都是將樣本置於兩個或以上的砧面間,再在砧外施以機械力。由於構成壓力砧本身物質的硬度較高,能在樣本上產生高壓。砧的構成材料必須具備幾個條件,譬如硬度高、壓縮性小、化性穩定、價格合理等。

一般傳統大型壓力機像活塞套筒型的砧體均由碳化鎢組成,其他由碳化鎢作為砧體的壓力機則種類繁多。這些壓力機可容納較多量的樣本,通常用來作實驗岩石學的研究。然而,也因材料本身強度所限,壓力就不易達到300仟巴(kbar,1 bar約等於1大氣壓)以上。儘管如此,配合適當的加熱裝置,這些大壓力機往往可使樣本加溫到攝氏兩千度左右,也相當於下地函的環境了。大型壓力機的砧體若用燒結的鑽石取代傳統的碳化鎢,可使壓力提高到500仟巴以上,這是最新的改進趨向。

目前靜態的壓力機以鑽石高壓砧的結構最簡單輕便,不但能達到較高的壓力,而且可做各種光譜學的觀察,也使我們能研究礦物在和地心相當的壓力下的物理性質和化學反應。

鑽石高壓砧的原理

運用鑽石砧作為壓力機,原理是把樣本置於兩個鑽石的尖面之間,由於鑽石的硬度高,再加上作用面積小,因此,只要在外部施加一些機械力,就可以在樣本上產生非常高的壓力。為了保護鑽石的壓力面以及保持靜水壓的狀態,一般都在兩鑽石之間加上一層金屬或合金夾套,待壓樣本便和傳壓介質(通常為液體如甲醇、乙醇的混合液)共同置於夾套的孔洞內。

鑽石的大小,通常由1/8到1/2克拉不等,必須使用無瑕疵、無雜質者。若實驗中不進行光譜學測量,則可考慮使用顏色等級較差、價格較便宜的鑽石,否則還是以無色者為宜。

鑽石的尖點必須先經研磨、拋光,使其形成徑寬約300微米大小的砧面,樣品便置於其上而承受壓力。砧面的面積越小,可達到的壓力就越高,但相對地可供研究的樣品的量就越少。

鑽石高壓砧可達到的壓力當然也受材料機械本質的限制而有極限。就以1/8克拉底尖面寬300微米的砧面而言,其壓力極限值為300仟巴左右。如果要達到更高的壓力,就必須使用較大的鑽石,再配合砧面的修飾設計,以使鑽石可以承受較大的作用力。近年來,美國卡內基研究所地球物理實驗室的毛河光先生及其同仁,便是極力專注於這方面的研究,終於將鑽石高壓砧的可達壓力推進到百萬巴的大關以上。

測量鑽石高壓砧內樣品所承受壓力的方法有很多,最普遍的就是將紅寶石連同樣本一同置於鑽石砧內,然後用雷射光照射紅寶石使其產生螢光,由螢光波長的改變量,就可量出樣本所承受的壓力了。目前應用鑽石高壓砧做實驗,已達到5.5百萬巴了(地球中心的壓力為3.7百萬巴)。

鑽石高壓砧的高溫設備

鑽石高壓砧須配合高溫才能合成地球內部的物理環境,通常加熱的方法有電爐,電阻及雷射加溫法等三種。

電爐法是將鑽石高壓砧直接置於高溫爐內加熱,方法雖然簡便,但是可達到的溫度並不高,而且會使砧的合金部分產生氧化作用或受損,造成儀器維護上的困難。

電阻法是將電阻線如鎳鉻合金纏繞在鑽石砧座四周,好似一座小電爐。在砧外通電,用變壓器控制電流及加熱量的多寡,樣本溫度由裝置在鑽石砧體中的熱電偶測量。此法加熱可達攝氏1,000度。

最有效的加溫法就是雷射加溫法,是將釹釔榴石雷射釋出的紅外光(波長為1,060奈米)光束聚焦到鑽石砧的樣品上,從而產生高溫。溫度乃由樣本受熱時放出的黑體輻射估算而得,黑體輻射經由可見光多頻道光譜分析系統收集和分析。此法可使樣本加熱至攝氏5,000度以上。

用這些高溫的鑽石砧,我們可以針對鎂鐵矽酸鹽和鐵鎳合金等一般被認為構成地函和地心的主要組成礦物,進行種種物理性質和化學反應的實驗。由於鑽石砧的實驗可用各種波長的電磁波作為光源,因而其實驗的方法非常多且繁雜。

地函組成礦物的高壓物理性質

一般相信地函主要由超基性岩石如橄欖岩類所構成,因此研究它們的組成礦物在高溫高壓下的物理性質,有助於對地函物理狀況的了解。藉鑽石砧的研究,發現橄欖石、鎂鐵氧化物及重矽石等地函礦物相在高壓下的光學性質,其吸收光譜均呈隨壓力增高而向波長較長的方向移動。由這種紅移現象,我們推測地函之熱傳導不能以輻射方式進行,因為這些礦物相在高壓下會有效地吸收黑體輻射。另外,由導熱性的實驗結果,發現這些礦物相的熱傳導係數均相當低,不足以藉傳導作用當作地函熱傳遞的主要機制。從而推論地函的熱傳送,必定以對流形式為主。

此外,由礦物的機械性質中狀態方程式的測定,我們可以將這些結果和地震波的波速比較,推斷地函及地心分別為許多鎂鐵矽酸鹽和鐵鎳合金的高壓相所構成。另外,從橄欖石的導電性推測,地函震波低速帶的成因和組成岩石的部分熔融有關。凡此種種,均和礦物的高壓物理性質有密切關係。

地函礦物相的變化

地震波資料顯示,地球內部震波波速剖面有許多的不連續面。這些不連續面意味著地球內部並不是均勻地由單一岩石所構成,而是一層層各有不同物性的礦物群所構成。不連續面代表每一層間有密度的突然增高或降低,這可能代表組成礦物的結晶構造有所改變,或者成分上的大變化。

利用鑽石砧和雷射加溫法,我們可以研究礦物在高壓高溫下相的變化。我們發現,有些震波不連續面可以用礦物的結構改變,亦即相變來解釋。譬如:橄欖石的轉變為尖晶石相和輝石的變為石榴子石結構,正好用來解釋400公里處的不連續面。而各個鎂鐵礦物的轉變為鈣鈦礦結構,則可說明670公里處的震波不連續面。礦物的相圖,亦即礦物相與溫度和壓力的關係的重要性,由此可見。如果我們知道地函的化學組成,就可以用這類的相圖探討礦物相在不同深度的分布情形。

鐵的熔融曲線

地心可分為內外兩部分。從外地心不能傳遞剪力波的事實,我們推論它可能是處於熔融狀態。由地球物理和地球化學的資料研判,構成地心最主要的元素就是鐵,因此鐵的熔融曲線便自然成為探討地球深處溫度剖面最基本的根據。利用雷射加溫法,鐵的熔點已可用靜態壓法在約百萬大氣壓之壓力下測量到,此結果和動態的震波法所作的觀察相當吻合。由於外地心的成分並非由純鐵組成,而且也含一些輕元素,輕元素的存在使鐵的熔點降低。

金屬氫的發現

氫在周期表上排名第一,在宇宙中為含量最豐富的元素。氫在高壓下的性質,早就深深地吸引物理學家的興趣,近來又因超導性的追求,更為材料界研究的主題。此外,由於它在宇宙中的重要性,因此也是天文及地質學家們研究的對象。

由於氫的組成簡單,在理論上比較容易計算,因此對氫的高壓性質早就有很廣泛的理論推斷。氫在室溫下以氣體形式存在,隨著壓力的增高,氫凝聚為液體,再受壓而成固體。早在一九三五年,魏格納(E. Wigner)和杭廷頓(H. B. Huntington)就曾預測氫分子在高壓下會轉變成單原子金屬的形態存在,並估計此轉變壓力為250仟巴。近年來,這種氫分子之解離為原子狀態的現象,被認為在2.5~4百萬巴下會發生。另外,由固態物理理論推斷,氫因其能帶溝之消失而轉變成導體的氫金屬,應在1.7~2.5百萬巴的壓力下發生。

以上這些推論,都是根據一些模型和固態物理的基本理論推衍的。在過去,實驗技術上無法達到理論上所需求的壓力時,的確是很難判定孰是孰非。直到近年由於高壓技術的突飛猛進,我們方得藉實驗方法,一睹高壓下氫的各種相變化。

這種實驗首先要面對的困難,便是如何把氫裝入鑽石砧的問題,通常有兩種方法可採用。一是將整個鑽石砧置於冷凍裝置內,再將液化的氫灌入砧內;另外一種是把鑽石砧密閉於一高壓裝置內,然後施加壓力,使泵入的氫氣液化,再將鑽石砧旋緊,樣本裝好後就可逐次施加壓力,作各種光譜學上的觀察和X光的繞射實驗。

氫在5萬巴左右時轉變為固體,固態氫是以六方最密堆積的晶體結構出現,該結構保持穩定,一直到兩百萬巴以上。當氫被裝在鑽石砧內時,其折射率遠較紅寶石為小。在液態氮的溫度時,當壓力達0.3百萬巴後,氫的折射率便和紅寶石相仿;在1.5百萬巴時,對可見光的吸收力逐漸增強。

金屬氫生成的主要依據,是由其光學性質的改變而得。當壓力在1.5百萬巴時,也就是氫分子進行有序化排列時,透過氫的可見光有逐漸減弱的趨勢。在2.1百萬巴時,氫的穿透光譜顯示均勻的吸收性。而此壓力下的反射光譜,則在紅外光部分有顯著的反射增強現象。換言之,本來是絕緣體,透明的氫已在高壓下轉變為不透明的金屬氫了。

我們都知道,構成太陽系九大行星中的大星球,如木星、土星及天王星等,其主要組成均為氫。無疑地,氫在高壓下的物理性質對研究星球的起源有其重要性。譬如木星,假使氫在高壓下變為金屬,在木星內部就很可能以導電體的狀態存在,由於對流的緣故,它能持續不斷地產生電流,這便足以解釋為什麼木星具有顯著磁場的緣故。

利用高溫高壓設備,我們得以研究礦物在廣泛的溫度、壓力範圍內的機械、光、熱、電及磁性等性質。這些研究結果對地球內部的成分、構造及物理狀態有極重大的貢獻。礦物在高壓下的相變形態多而有趣,許多構成地球內部地震波速分布的不連續情形,均可解釋為和鎂鐵矽酸鹽及鐵鎳合金之相變有關。值得注意的是,還有許許多多的實驗工作需要大家協力進行。另外,在對地球內部的詮釋以及地球演化模式的推衍上,需配合地球物理和地球化學的資料才更有意義。


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