牛津通识读本：地球 [6]
地幔上的钻石窗口
某些最有用的线索来自对地下那些岩石性质的了解。为了查明地球深处那些岩石的状况，就必须复制那里令人难以置信的巨大压力。令人惊异的是，这种情形动动手指就能模拟：握住两颗优质的宝石级金刚石，用珠宝商的术语来说，其切工为“明亮型”，即每颗金刚石的顶部均有一个完全平坦的小切面。将一个微小的岩石样本置于两个小切面中间，然后用指旋小螺钉将两个小切面拧得更紧一些。两个金刚石砧之间的力非常集中，以至于仅仅拧动螺钉，产生的压力就会超过300万个大气压（300吉帕斯卡[27]）。金刚石是透明的，通过激光照射就可以对样本加热，也方便使用显微镜和其他设备来观测。这实际上可以作为一个窗口，让我们观察地幔深处的岩石的状况。
一天，比尔·巴西特教授在康奈尔大学的实验室里研究金刚石砧上的一个微小晶体。当他提高压力时，没有发生什么变化，于是他决定先去吃午餐。正要离开，忽听到砧上传出突如其来的爆裂声。显然，他的宝贝金刚石碎了一颗，他冲回去在显微镜下仔细观察。钻石安然无恙，但样本突然变成了一种全新的高压晶体形式。这就是所谓的相变：组分依然，但结构发生了变化——在该例中，变成了更加致密的晶格。
从捕虏岩的组分我们知道，至少上地幔是由橄榄岩等岩石组成的，其中富含镁铁硅酸盐矿物橄榄石。把这种岩石的微小样本放在金刚石砧中间加压，它就会经历完整的一系列相变。在相当于410公里地幔深处所受的大约14吉帕斯卡的压力之下，橄榄石变形成一种名为瓦兹利石的新结构。在相当于地下520公里、18吉帕斯卡的压力下，它又发生了形变，变成了林伍德石，一种尖晶矿石的形式。然后，在23吉帕斯卡，相当于地下660公里所受的压力之下，会变成两种矿物：一种是钙钛矿，另一种是名为镁方铁矿的镁铁氧化物矿物。我们会注意到，相变发生的深度恰恰是可以反射地震波的地方。因此，这些地层或许可以表示晶体结构的变化，而非组分的变化。
双层蒸锅？
地下660公里的地层是上地幔和下地幔的分界线，这是一个特别强烈的特征，也是学界激烈辩论的焦点：有人认为整个地幔都是在一个巨大的对流系统中循环，而另一些人认为地幔更像是一口双层蒸锅，上、下地幔各有其独立的循环腔，两个腔体之间几乎没有物质交换。历史上，地球化学家更偏爱双层结构，因为这种结构考虑到了不同地层之间的化学差异，而地球物理学家则偏爱全地幔对流。当前的迹象表明，两者可能都是正确的，在这一折中方案中，全地幔循环是可能的，但绝非易事。地震层析成像的数据初看之下或许偏向双层蒸锅的观点。地震扫描揭示了下压的洋壳板块沉向660公里处异常地层的位置，但它们似乎并未通过该地层。相反，物质散布开去，似乎又在数亿年间在该深度聚集起来。但进一步扫描显示，在某一位点，下压的洋壳板块可以像雪崩一样突破并继续沉到下地幔，直至地核的顶部。
1994年6月，玻利维亚遭遇了一场剧烈的地震。地震几乎没有造成破坏，因为震源很深——大约有640公里。但在那样的深度，岩石应该是太软了，以至于无法断裂。正是在地震发生的区域，来自太平洋古老洋壳的一个板块下沉到安第斯山脉以下。当时，想必是一整层的岩石经历了一场灾难性相变，变成了更加致密的钙钛矿结构，它似乎必须经历这样的变化，才能够沉入下地幔。这个解释一举解开了地幔分层和深层地震的秘密。
但仍有很多问题有待解释。例如，潜入太平洋汤加海沟之下的洋壳板块以每年250毫米的速度穿过地幔，对于其温度而言，这一速度过快，无法稳定下来。洋壳物质会在区区300万年内抵达上地幔的基部，如果淤积在那里或者延展至下地幔，其低温问题理应十分突出。但没有证据表明存在着这样的板块。某个理论声称，不是所有的橄榄石都转变成了密度更高的矿物，因而原本的板块会中立地漂浮在上地幔中。低温加上矿物成分使得其地震波速与其他地幔物质非常相近，因此，它不会轻易显现出来，就像一层甘油不会在水中突出显露一样。事实上的确存在着诱人但微弱的地震学证据，证明在斐济的下面存在着这样的板块。
图6 地球地幔内的基本循环，及其如何反映在岩石圈板块运动和各个板块边界上。为清楚起见，运动均已简化，岩石圈的纵向比例尺也放大了不少
钻石中的讯息
钻石是高压形式的碳，只会形成于地球100多公里深度之下，有时还要比这深得多。钻石中的同位素比率表明，下潜的洋壳中经常会有碳形成的钻石，或许是来自海洋沉积物中的碳酸盐。钻石中有时会含有其他矿物的微小内含物。宝石商人多半不怎么欢迎这个特征，但地球化学家对此求之不得。对那些内含物的精密分析，可以揭示有关钻石形成和穿过地幔的漫长的、有时颇迂回曲折的历史。
有些钻石内含一种名为顽火辉石的矿物，这是硅酸镁的一种形式。一些研究人员认为，它原本是来自下地幔的硅酸镁高温钙钛矿。证据是，根据他们的观察，这种矿物中所含的镍只有上地幔应有含量的十分之一。在下地幔的温度和压力下，镍被一种名叫铁方镁石的矿物所吸收，从而使得硅酸镁高温钙钛矿几乎不含镍——铁方镁石也是一种常见的钻石内含物。在少数情况下，内含物富含铝，在上地幔的环境里，铝被锁在石榴石之中。还有些内含物是富铁的，由此可知它们可能产生于地幔中靠近地核分界线的极深处。这些深处的钻石同样拥有一个与众不同的碳同位素特征，据信这是深层地幔岩而非潜没海洋岩石圈的特点。对钻石及其周围岩石的地质年龄的估计表明，其中的一些穿过地幔的道路漫长而迂回，或许用了逾十亿年时间。但这是个颇有说服力的证据，说明在上、下地幔之间至少存在着一些物质传递。
钻石被发现时所依附的岩石可不比钻石本身逊色多少。这种岩石名为金伯利岩，是以南非的钻石矿金伯利镇命名的。岩石本身简直是一团糟！除了钻石之外，它还含有各种各样不同岩石的多角团块和粉碎片段；这所谓的角砾岩是一种火山岩，往往会在远古的火山口形成胡萝卜形的岩颈。其确切组成很难判断，因为它在穿过岩石圈时吸收了太多的粉碎岩屑，但其原始岩浆一定主要由来自地幔的橄榄石和现在以云母形式存在的大量挥发性物质共同组成，其中橄榄石占大部分。如果它从地幔缓缓上升，如今我们就没有钻石了。钻石在地下不到100公里处的压力之下并不稳定，假以时日，它会在岩浆中熔解。但金伯利岩火山无暇等待。人们估计，物质穿过岩石圈的平均速度大约为70公里每小时。火山口在靠近表面的位置岩颈加宽，这表明挥发性物质正在剧烈扩张，表面的喷发速度可能是超音速的。因此，一路向上所采集的所有岩石碎片都猝熄了，它们凝固在时间中，因而成为来自岩石圈乃至地幔深处的各种岩石的样本。
地幔基部
近期对全球地震数据的分析显示，地幔基部有一个厚度最多200公里的薄层，即D″分界层。它不是一个连续的地层，而更像是一系列板块，也有点像地幔底面的一块块大陆。这里可能是地幔中的硅酸盐岩石与来自地核的富铁物质部分混合的区域。但另一种解释认为，这里是远古海洋岩石圈的长眠之所。在其沉降穿过地幔以后，板块依然冰冷致密，因而散布在地幔的基底，被地核缓慢加热，直到或许十亿年后，它以地幔柱的形式再次上升，形成新的洋壳。
根据测量，昼长存在微小差异，这同样提供了关于地球腹地的线索。因为月球对潮汐的牵引，以及最后一次冰河期的冰体压迫导致陆地上升，我们这个旋转的星球正在逐渐减慢转速。但仍有十亿分之一秒量级的微小差异。其中的一些或许应归因于大气循环吹到山脉上，就像海风吹鼓船帆。但另一部分看来像洋流推动船只的龙骨那样，是在外核中推动地幔基部脊线的循环引起的。因此，地幔的基部可能存在着像倒置的山脉那样的山脊与河谷。菲律宾地下十公里的地核中似乎有一个大洼地，其深度是美国大峡谷的两倍。阿拉斯加湾地下的鼓起是地核上的高点，那是个比珠穆朗玛峰还高的液态山峰。下沉的冰冷物质或许会在地核上压出凹痕，而热点则会向上鼓起。
超级地柱
下地幔的钙钛矿岩石尽管要炙热得多，却远比上地幔风化岩更有黏性。据估计，它的抗流动性要高出30倍。因此，地幔基部的物质以缓慢得多的速度上升，上升形成的柱体也要比上地幔的典型地柱粗大得多。它的表现很像熔岩灯里的黏性浆团，流动得极为缓慢。尽管某些物质在整个地幔中循环，但很可能真的存在一些只有上地幔才有的小对流圈。实验系统中对流圈的宽度趋向于与其深度一致，而至少在世界上的某些地区，地幔物质所组成的柱体，其间隔似乎与上地幔660公里的深度一致。地球如何熔融物质升降起落，生生不息。炙热的地幔岩地柱缓慢升向地壳，所受的压力也随之减轻，它们开始熔融。科学家们可以利用巨大的水压来挤压在熔炉内加热的人造石，再现当时的场景。岩石并非整体熔融，而只有一小部分如此；所产生的岩浆不像地幔其他部分那样稠密，因而得以快速上升到表面，作为玄武岩熔岩而被喷发出来。至于它是如何流经其他岩石的，曾经是另一个大谜团，最终的答案与岩石的精微结构有关。如果在岩石颗粒间形成的小熔融袋顶角很大，岩石就会像一块瑞士干酪；熔融袋不会相互连通，熔融物也不会流出来。但那些顶角很小，这样岩石就像一块海绵，所有的熔融袋也是相互连通的。挤压海绵，液体就会流出来。挤压地幔，岩浆就会喷发。
自由落体
艾萨克·牛顿看见苹果落下来，意识到重力会把物体拉向地心。但他不知道，在世界的某些地方，苹果下落的速度会比其他地方略快一些——人们通常不会注意到这一差异，也无法用苹果轻易测量出来。但宇宙飞船可以做到这个。根据道格拉斯·亚当斯在《银河系搭车客指南》中的说法，飞行的秘密，就在于一直在下落，却忘记了着陆。卫星差不多就是这样。卫星自由落下，但它的速度将其保持在轨道中。致密岩石区域更加强劲的万有引力会使卫星加速。在通过重