人类挖过的最深的洞穴位于俄罗斯科拉半岛地下 12 公里处。尽管我们现在有一个宇宙飞船正在前往冥王星——距离太阳约 60 亿公里——但我们仍然无法将探测器送入地球深处。因此，实际上，位于我们下方 6,380 公里处的地球中心，比我们太阳系的边缘还要遥远。事实上，冥王星是在 1930 年被发现的，而地球内核的存在直到六年后的 1936 年才被确定——使用的是地震数据。
尽管如此，地球科学家还是对我们的星球获得了惊人的洞察力。我们知道它的结构大致像洋葱，由地核、地幔和地壳形成同心层。地幔约占地球体积的 85%，其缓慢的搅动驱动着地壳的地质灾变。这个中间区域主要由硅、铁、氧、镁混合而成——每种元素在地幔中的浓度大致相同——以及少量的其他元素。但是，根据深度的不同，这些元素会结合成不同类型的矿物。因此，地幔本身也被分为同心层，不同的矿物在不同的深度占主导地位。
尽管大多数这些层的性质和组成在几十年里都已相当清楚，但直到最近，最底层仍然有点令人困惑。但在 2002 年，我的实验室合成了在地球地幔最底部 300 公里处的温度和压力下形成的一种新型致密矿物，从而解开了这个谜团。从那时起，研究表明，这种被称为后钙钛矿的矿物，极大地影响了地球的动力学。研究人员已经表明，它在地幔中明显存在，这意味着地幔的对流（较冷的岩石下沉，较热的岩石上升，带走地球内部的一些热量）比以前认为的更加活跃，并且更有效地传递热量。如果没有后钙钛矿，大陆的生长速度会更慢，火山也会更安静。后钙钛矿的形成也可能加速了地球磁场的加强，从而通过屏蔽宇宙射线和太阳风，使陆地上的生命成为可能。换句话说，后钙钛矿是理解我们星球演化的关键缺失成分。
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岩石底部
地球物理学家通过测量地震波来绘制地球的结构图。地震发生后，由于波浪穿过整个地球，灵敏的仪器可以在世界的另一端接收到它们。当波浪穿过不同材料之间的边界时，它们可能会被折射或反射。对这种行为的全球测量表明，地幔有五层，每层之间的边界都以波速的跳跃为标志。研究人员已将这些跳跃与岩石结构的变化联系起来——这些变化归因于随着深度增加而存在的压力和温度。
岩石由不同的矿物组成。矿物是原子排列成特定几何图案或晶体的结构，因此具有其自身的成分、物理性质甚至颜色——想想普通花岗岩厨房台面中不同类型的颗粒。在地幔中特定深度阈值以下，巨大的压力和温度迫使元素重新排列成新的晶体结构。正如物理学家所说，材料会发生相变。
由于缺乏探测地球深处的能力，早期想要研究这些结构的地质学家不得不寻找由深层岩浆带到地表的幔岩。这些岩石通常包裹着钻石。由于钻石是在 150 公里或更深的深度存在的压力和温度下形成的，因此可以推断它们的寄主岩石起源于类似的深度；因此，它们提供了有关地幔最上部的丰富信息。但是，来自 200 公里以上深度的幔岩或矿物很少到达地表。
随着研究人员学会了在实验室中产生高压和高温，他们变得能够合成被认为构成地幔下层的矿物。岩石中的主要矿物为地幔层命名：在上地幔中，这些层是橄榄石层、改性尖晶石层和尖晶石层。然后，从 660 公里的深度开始，致密的镁硅酸盐 (MgSiO3) 成为岩石的主要成分。它属于一个庞大的晶体家族，称为钙钛矿，钙钛矿是由带负电的氧离子和两种带正电的离子（在本例中为镁和硅）排列而成，通过静电吸引力结合在一起。钙钛矿可以具有多种化学成分，包括超导体以及广泛用于电子产品中的材料，例如，压电致动器或电容器。
硅酸镁钙钛矿于 1974 年在 30 吉帕斯卡的压力下首次合成。（一吉帕斯卡，或十亿帕斯卡，大约相当于海平面大气压的 10,000 倍。）在随后的 30 年中，专家们的共识是，这种矿物应该一直存在到地幔底部，位于 2,890 公里的深度，而不会发生另一次相变。
然而，在 1960 年代，在地下约 2,600 公里处发现了一种新的地震异常。下地幔，以前称为 D 层，现在被分为两个子层，D′ 和 D″（D-撇号和 D-双撇号），其中 D″ 区域占据了地幔壳的最底部约 300 公里。1983 年，该异常被发现是实际的不连续性，但它被归因于元素相对丰度的变化，而不是相变边界。做出此假设的部分原因是钙钛矿是一种“理想”的晶体结构——原子以紧密堆积的几何形状排列，似乎可以最大限度地提高每单位体积的质量。专家们怀疑钙钛矿是否可以压缩成任何比这更紧密堆积的结构。另一方面，元素丰度的变化也存在问题，因为对流应该搅动下地幔并将其内容物与上覆层的内容物混合，从而导致元素种类和比例的均匀性。
为了澄清情况，实验需要超过 120 吉帕斯卡和 2,500 开尔文。我在 1990 年代中期对这个问题产生了兴趣，后来开始使用金刚石压砧池进行实验室实验，其中将类似地幔的材料样品在几颗宝石级天然金刚石（约十分之二克拉大小）之间挤压到高压，然后用激光加热。在 80 吉帕斯卡以上，即使是金刚石（已知最硬的材料）也开始发生剧烈变形。为了将压力推得更高，需要优化金刚石压砧尖端的形状，以使金刚石不会破裂。我的同事和我经历了无数次金刚石失效，这不仅花费了研究经费，有时也打击了我们的热情。最后，通过使用斜面砧，我们在 2001 年突破了 120 吉帕斯卡的上限。我们是世界上最早做到这一点的实验室之一，也是第一个研究这种压力对钙钛矿影响的实验室。
晶莹剔透
为了了解我们样品内部发生了什么，我们在 SPring-8 建立了我们的实验，SPring-8 是世界上最大的同步加速器 X 射线设施，位于日本西部山区。近一个世纪以来，科学家们通过观察 X 射线如何通过晶体衍射来解码晶体的结构（基于原子间距离与 X 射线的波长在同一长度范围内的事实）。SPring-8 发出的头发般细而强烈的 X 射线束使我们能够以每秒仅一次的间隔拍摄高质量的照片，这对于监测这种极端条件下晶体结构的变化非常有用。
在 2002 年冬天，在 SPring-8，我的学生村上元彦来找我说，当硅酸镁钙钛矿在 125 吉帕斯卡下加热时，其衍射图样发生了剧烈变化。这种观察通常指向晶体结构的变化——这正是我一直在寻找的。如果这是真的，那么自 1974 年首次合成硅酸盐钙钛矿以来，这一发现将是高压矿物学中最重要，也可能是所有深层地球科学中最重大的发现。
然而，起初我并没有太认真地对待这些数据，因为衍射图样可能会因多种原因而发生变化。例如，样品可能会与将它们固定在砧中的材料（通常是粘土）发生化学反应，从而导致衍射数据发生根本性变化。几天后，当我告诉我的亲密同事关于这个新观察结果时，他们的第一反应相当消极。“你一定是做错了什么，”一位晶体学家告诉我：钙钛矿是一种理想的、紧密堆积的结构，他指出，以前从未见过钙钛矿向更致密结构发生相变。
我们多次重复了实验。令人鼓舞的是，我们每次都观察到了新的衍射图样。我们还发现，当我们在低压下重新加热样品时，新的图样会变回钙钛矿的图样。因此，转变是可逆的，这排除了样品化学成分发生变化的可能性。在这一点上，我确信我们已将硅酸镁钙钛矿转变为一种新的结构。
接下来，我们发现，在 2,500 开尔文的温度下，转变发生在 120（而不是 125）吉帕斯卡——这正是对应于 2,600 公里深度的压力，在那里发现了神秘的地震波速度不连续性跳跃。我意识到，长期存在的谜团现在已经解决了：我们发现了一种新的相变和一种新材料，这种材料一定在 D″ 层中占主导地位。此外，我推测，新相的特性可能对地幔的动力学产生重要影响。
但在继续我们的工作之前，我们首先需要确定新相的晶体结构，这很有挑战性，因为当时已知没有任何钙钛矿型晶体会在压力下转变为其他晶体。在将近一年的时间里，我们翻遍了晶体学目录，试图将我们的衍射数据与已知的图样进行匹配——考虑到有数万种这样的晶体结构，这简直是大海捞针。然后，在 2003 年年底，在新年假期期间，我的同事川村克幸（一位化学家）对高压下的镁、硅和氧原子进行了计算机模拟。他从非常高温度下随机分布的原子开始，当他冷却他的虚拟样品时，混合物开始结晶。然后，他计算了这种晶体结构会产生的衍射图样，结果与我们实验观察到的图样完全匹配。
我们决定将新相命名为后钙钛矿。（严格来说，它不是矿物，因为它尚未在自然界中被发现。）事实证明，它的结构本质上与两种已知的晶体，硫酸铁铀 (UFeS3) 和铱酸钙 (CaIrO3) 相同，这两种晶体在环境条件下是稳定的。* 我们的直接测量表明，后钙钛矿的密度确实高于钙钛矿，高出 1% 到 1.5%。
承受热量
自从我们在 2004 年宣布我们的结果以来，各个领域的研究人员都在此基础上构建了一个令人兴奋的新图景，描绘了地球内部的许多不同过程。首先，我们的发现揭示了从地核流向地幔的热量。地核主要由铁组成，使其密度是地幔的两倍。因此，在两者之间的边界处几乎不会发生混合，并且热量主要通过传导进行交换。地幔富含放射性铀、钍和钾，而地核可能贫乏放射性同位素，这意味着其目前的温度（可能为 4,000 至 5,000 开尔文）主要来自地球形成时遗留下来的热量。从那时起，随着热量在地核-地幔边界传递到地幔，地核随时间推移而冷却。
通过对下地幔材料的热导率做出合理的假设，我的合作者和我能够估计，从地核流入地幔的热量速率可能为 5 到 10 太瓦，与世界所有发电站的平均输出相当。与以前认为的相比，这是一个更大的能量流，因此也是更快的地核冷却速率。因此，要达到目前的温度，地核的起始温度必须高于先前假设的温度。
这种热量流决定了地核自地球形成以来的演变方式。在年轻的地球内部，地核完全是液态的，但在地球历史的某个时刻，内核开始结晶，因此现在它有两层：一个内部的固态内核和一个外部的液态内核。更快的冷却速率表明，固态内核可能不到十亿年，与地球 46 亿年的年龄相比，这还很年轻：否则，内核将比我们目前观察到的要大得多。
内核的形成对地磁学具有影响，而地磁学反过来又对生命具有影响。地球科学家认为，熔融外核中液态金属的对流是通过发电机作用产生地球磁场的。固态内核的存在使对流更加规则和更少混乱，从而产生比完全液态内核更强的磁场。地磁场保护地球免受太阳风和宇宙射线的侵袭，太阳风和宇宙射线可能导致基因突变，并且对陆地上的生命尤其危险。大约在十亿年前，地磁场强度的变化可能使生命有可能从海洋扩展到陆地。
后钙钛矿不仅影响地核和地幔边界处的热扩散，而且也影响整个地幔的热扩散，这一发现进一步揭示了地球的历史。地幔柱在地核-地幔边界上方形成。当柱状物在后钙钛矿层内上升时，它会遇到较低的压力，直到达到一个阈值，在该阈值处，热的后钙钛矿会转变为密度较低的钙钛矿，从而增加体积。由于密度低于周围较冷的物质，柱状物变得更加具有浮力，这促进了进一步的上升流。计算机模拟表明，在后钙钛矿存在的情况下，柱状物的形成频率更高，并且比整个下地幔仅由钙钛矿组成的情况下更曲折。模拟表明，通过这种方式，后钙钛矿的出现可能使通过地幔的热流加速了 20%。
引起轰动
通过加速地幔对流，后钙钛矿的存在使上地幔的温度升高了数百摄氏度。其中一个后果是火山比其他情况下更活跃。在早期地球中，当地核更热时，地幔的最下部也更热，并且超出后钙钛矿可以形成的温度范围。然而，矛盾的是，如果没有后钙钛矿来加速热流，上地幔会比现在更冷。随着地球缓慢冷却，一些钙钛矿开始转变为后钙钛矿，可能是在大约 23 亿年前，从而促进了从地核的热流并提高了整个地幔的温度。因此，研究人员估计，在过去的 23 亿年中，更快的板块运动和增加的火山活动可能导致大陆的生长速度是之前大部分时间的两倍——尽管这一结论仍在激烈争论中。
D″ 层的物理性质可能与上覆地幔的物理性质截然不同。最近的测量表明，后钙钛矿的电导率远高于钙钛矿，使得最下层地幔的电导率提高了几个数量级。当内核的流动模式发生变化时，高导电性的后钙钛矿层将增强液态内核和固态地幔之间的角动量交换。（交换是由所谓的洛伦兹力引起的。）其他研究人员进行的模拟表明，这种交换将以一种与在十年时间尺度上实际观察到的日长毫秒级变化非常吻合的方式改变地球的自转速度。后钙钛矿的电导率以及由此产生的巨大角动量交换也可能有助于解释地球自转轴的周期性岁差（章动）。
尽管后钙钛矿仅存在于地球地幔最底部的几百公里处，但它可能构成其他行星的更大比例。理论预测，MgSiO3 后钙钛矿在高达 1,000 吉帕斯卡和 10,000 开尔文的条件下是稳定的，然后才会分解成二氧化硅和氧化镁的混合物。因此，后钙钛矿应该是天王星和海王星岩石内核的主要成分。相比之下，木星和土星的岩石内核都被厚厚的氢层包裹着，这将使压力和温度过高，无法稳定后钙钛矿。
其他太阳系中的行星呢？迄今为止观察到的所有系外行星都比地球大。那些小于地球质量 10 倍的行星被认为是类地岩石行星，被称为超级地球。天文学家通过观察系外行星的宿主恒星来推断系外行星的成分。我们的太阳的大气层在化学成分上与我们太阳系的行星相似，这可以从太阳光谱中的吸收线中推断出来。天文学家也类似地从其他恒星的光谱中推断出，许多超级地球可能具有与我们地球相似的成分。鉴于它们内部存在的压力和温度范围，后钙钛矿可能是许多这些行星中最丰富的成分。
未完待续
关于我们星球富含后钙钛矿的 D″ 层的结构仍然存在疑问。长期以来，在这些深度观察到地震波速度的巨大异常，就好像 D″ 层不是均匀的，而是有两个明显的特征，一个大致位于非洲下方，另一个位于太平洋下方。是否可能存在两个质量体，比周围的岩石更致密，但仍然足够轻，可以漂浮在外核上，就像大陆漂浮在外地幔上一样？这些“隐藏的大陆”可能会影响地幔底部的流动，并间接影响整个地幔的对流模式——甚至地表板块构造。这些质量体是如何形成的，它们是否正在增长？太平洋下方的那个质量体是否与产生夏威夷群岛的地幔柱有关？这些和其他问题可能会在不久的将来得到解答。
地球的最下层地幔长期以来一直令人费解，但由于后钙钛矿的发现，它的许多特征现在都得到了很好的解释。相比之下，关于富含铁的金属核，仍然存在许多问题。地核比地幔更难研究，因为直到最近，金刚石压砧技术还无法重现地核中存在的压力和温度。研究人员可以通过冲击波压缩的蛮力方法产生更高的压力，但该方法产生的温度会过高。
然而，自 1952 年以来，人们就知道液态外核的密度比纯铁或铁镍合金低约 10%。因此，必须存在一种或多种较轻的元素，例如硫、硅、氧、碳和氢，但这些轻元素的识别仍然存在很大争议。地核的温度最好根据铁合金在对应于地核中固液边界的压力下的熔化温度来估算。但是，目前的估计包括超过 2,000 开尔文的不确定性，因为熔化温度在很大程度上取决于确切的成分，而这是未知的。内核条件下铁的晶体结构仍然未知，这使得解释地震观测结果变得困难。然而，就在最近，我们制造出了可以达到地球内核中存在的全部压力和温度范围的金刚石压砧，这为解决有关我们星球最深部分的这些未解之谜打开了大门。
这将有点像完全到达地球中心，即使只是在我们的想象中。
勘误表（2010 年 9 月 14 日）：化合物 UFeS3 被错误地描述为硫酸铁铀；它应该是硫化铁铀。