研究人员探测熔岩以破解地球最深层的秘密

在像地球这样的岩石行星深处，铁的行为可以极大地影响熔融岩石材料的特性：影响地球形成和演化的特性。

事实上，我们整个星球的演化可能是由这些铁原子的微观量子态驱动的。铁的一个特殊特征是它的“自旋态”，这是每个铁原子中电子的量子特性，驱动它们在化学反应中的磁性行为和反应性。自旋状态的变化会影响铁是处于熔岩中还是固态，以及熔岩的导电性能。

到目前为止，在这些熔融岩石材料(称为硅酸盐熔体)中重现极端条件来测量铁的自旋状态一直是一项挑战。 SLAC 国家加速器实验室、斯坦福大学、格勒诺布尔阿尔卑斯大学、激光强度利用实验室 (LULI) 和亚利桑那州立大学的国际研究团队利用强大的激光和超快 X 射线克服了这一难题挑战。他们表明，在极高的压力和温度下，硅酸盐熔体中的铁大多处于低自旋状态，这意味着其电子更靠近中心并在能级上配对，从而使铁的磁性降低且更稳定。

周五发表 在《科学进展》上的研究结果 支持了这样一种观点，即某些类型的熔岩可能在地球和其他岩石行星深处保持稳定，可能有助于磁场的产生。这项研究对于理解地球的演化、解释信号、甚至系外行星的研究具有潜在的意义。

“在探索地球历史方面，我们正在调查 40 亿多年前发生的过程，”合作者、亚利桑那州立大学研究员丹·希姆 (Dan Shim) 说。“研究这个问题的唯一方法是使用飞秒级的现代技术。这些巨大的时间尺度之间的对比既雄辩又令人震惊：这类似于时间机器的想法。”

小行星撞击和岩浆海洋

大约 4.3 至 45 亿年前，早期地球经历了强烈的撞击，被小行星撞击得像城市一样大。这些撞击产生了如此多的热量，以至于可以完全融化地球的外层，形成深熔岩海洋。

“据推测，在这些撞击的巨大压力下，熔融岩石可能变得比固体岩石更致密，”合作者、SLAC 科学家阿里安娜·格里森 (Arianna Gleason) 说。“这种密度更大的岩浆会沉入核心，捕捉到那个时代的化学特征。一些人认为，这个岩浆层的残余物今天可能仍然存在，蕴藏着 45 亿年前的线索。像夏威夷这样的火山可能会释放这些古老的化学特征，让我们一睹地球遥远的过去。”

在浅层深处，熔岩比相同材料在固态时占据更多的空间。但随着你深入，压力增加，这种差异就会减小。铁的夹杂物，尤其是其自旋态，在决定这些特性方面起着重要作用。先前的研究显示了类似条件下铁的自旋状态的不同结果：一些研究发现高压下铁的自旋状态发生快速变化，而另一些研究发现铁的自旋状态发生更慢、更渐进的变化。

这项新研究首次直接观察极端条件下铁在真实熔岩中的行为。

“虽然我们可以通过研究岩石和化石收集到很多信息，但地球早期历史的某些方面已经丢失，因为当时的记录很少，”希姆说。“这就是这项研究的独特之处。地球的形成是一个动荡的过程，涉及强烈的撞击并导致全球熔化的岩石层。这层压力巨大。我们通过实验室实验模拟条件来研究这一点。”

在 SLAC 直线加速器相干光源 (LCLS) 的极端条件物质 (MEC) 实验室中，该团队通过使用强大的激光爆破样本，使固体发生转变，从而能够重现早期地球岩浆海洋中发现的极端压力 。在几纳秒内将材料转化为硅酸盐熔体。然后，科学家们使用 LCLS 的飞秒 X 射线脉冲来研究铁等元素在这些极端条件下的电子结构，深入了解电子结构在不同条件下如何变化，并揭示熔融岩浆确实比固体更致密。具体条件。

“通过了解地球的内部动力学，我们可以完善构造运动和其他地质现象的模型，”格里森说。“此外，由于地球各层是相互关联的，这些发现对气候科学具有重要意义。”

了解我们的星球

在这项研究中，团队专注于低铁含量熔体。但当物质像雨点一样落向地球中心时，理论上它会吸收更多的铁，使其密度更大。接下来，该团队计划研究铁含量更高的熔体。他们还希望对含有一些水的熔体进行实验，进一步加深我们对地球水循环和气候的了解。

这项研究还可以揭示地幔深处特殊的速度。这些异常现象几十年来一直困扰着科学家。一些理论认为这些区域可能是 45 亿年前岩浆的残余物，而另一些理论则认为它们是由沉入地球内部、扩散低熔点物质的构造板块形成的。通过使用成像比较不同的假设，该团队的目标是确定这些区域的起源并区分古代和较新的材料。

SLAC 科学家兼合作者 Roberto Alonso-Mori 表示：“随着技术的进步，我们处于应对从矿物学到气候科学等重大挑战的最前沿，将各个研究领域联系起来。” “我们可以收集的大量信息改变了我们的能力。这是一个游戏规则的改变者。与如此多元化的团队一起开发新技术并将其应用于紧迫的问题是令人兴奋的。”

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