Carnegie(卡内基)研究院的科学家使用钻石压机来研究行星的形成


Placeholder Alt Text
Carnegie(卡内基)研究所的地球物理实验室采用高压、高温 (HPHT) 压机,能够满足各种用途,如对地球、其他行星以及技术应用中的异类新材料展开地质学研究。 在这里,科学家 Steve Shirey (史蒂夫·史雷)和 Stevce Stefanoski 准备将一个实验加载到实验室的其中一台多砧压机中。 GIA的Duncan Pay (邓肯·派)版权所有 ,华盛顿Carnegie(卡内基)研究所友情提供。
对于宝石学家而言,高压、高温 (HPHT) 压机能够揭示合成钻石的生长或钻石颜色处理的新奇方法。

对于 华盛顿卡内基研究所地球物理实验室的研究科学家Valerie Hillgren(瓦莱丽·希尔伦)而言,创造这些条件的压机还具有其他用途:研究太阳系的类地行星是如何形成的。

在地球物理实验室的一间大型机房中,我们与 Hillgren(希尔伦) 和她的Carnegie(卡内基)研究所地磁学部门同事 Steven Shirey( 史蒂芬·史雷)博士展开交谈。

空气中充满了重型设备的嗡嗡声以及大量管道内有节奏的增压咔嗒声。 房间内散发出浓浓的机油味,墙上还挂有一排刻度盘。 周围有四台巨大的多砧压机,每台压机相当于一台小型大众汽车的大小,研究人员用来模拟地球或其他行星内部深处的条件。 每个装置可以承受的压力与水星内核压力相当。

这些机器内部可容纳的压力以吉帕斯卡 (GPa) 计。 它们能够达到 25GPa 的压力,相当于地球表面下方 700 公里(435 英里)的压力。 这一压力量值能让科学家们研究地幔中的岩石形成体系。

虽然这听起来令人印象深刻,但它只是地球分层结构中的一部分深度:地球内核中心位于地表下方 6378 公里(3963 英里)处。

“当你想要着手研究地球深处的事物时,25GPa 只不过是较浅地幔的最低压力,”Hillgren (希尔伦)说道。

相比之下,地球内核的内部压力为 360 GPa(364 万巴)。 而地球表面的压力约为 1 巴(0.0001 GPa)。

高温高压 (HPHT) 热锻处理
Valerie Hillgren (瓦莱丽·希尔伦)能够在梦寐以求的工作中有效结合天文学和地质学这两个挚爱的学科:在Carnegie(卡内基)研究所的地球物理实验室利用高温高压压机 (HPHT) 研究行星地质学。 GIA的Pedro Padua(佩德罗·帕多瓦 )版权所有 ,华盛顿Carnegie(卡内基)研究所友情提供。
Hillgren (希尔伦)的工作重心是分离一颗行星的地幔和内核,特别是当它们开始分化为富含金属和富含硅酸盐的部分时。 “我们关注的是,不同元素的化学作用如何在地幔和行星内核之间分配,以及如何在更高的压力下分配,”她说。

Hillgren(希尔伦) 告诉我们,可随地展开实验,视乎对象的不同,可能从几分钟到一两天不等。 “我们通常从理据充分的行星组成氧化物和金属混合物部分着手,”她解释道,“我们将它们封装起来,然后进行加热。”

在施加足够的热量和压力后,她指出:“该混合物会分离成金属部分和硅酸盐部分,然后,我们进行还原,并研究其化学成分。”

华盛顿卡内基研究所地球物理实验室的多砧压机
这一系列照片可让你粗略了解地球物理实验室内多砧压机的内部运作。
Hillgren (希尔伦)补充道:“我们会对研究结果进行以下分析:构成行星的必要材料、必须存在的条件、内核的分离时间,或许还有内核分离后发生了什么事情。”

“我们还可以通过地幔的化学成分来分析这一过程,这是地幔分离后留下的标记。”她接着说。 “因而,我们只是尝试使用这些压机进行重构,研究行星深层内部区域的环境。”

目前,Hillgren (希尔伦)正在研究太阳系最里面的行星:水星。 “与太阳系其他相似的类地行星(火星、地球和金星)相比,水星是一颗极不寻常的行星,拥有金属比例极高的超大内核。

“为什么水星会有如此大的内核?这是一个谜。它是这颗行星上的固有化学成分吗?抑或是行星形成后发生的某个过程?”

Hillgren (希尔伦)和她的同事们将各种陨石视为行星形成的潜在起始原料:“我们有多种不同的陨石类别,并且正在研究哪些陨石中包含与构成水星的起始原料相似的成分。”

Chergach 陨石
2007 年在马里坠落的Chergach 陨石是其中的一部分。 它是球粒陨石类别的代表。 这些陨石(非金属)没有出现任何熔化改变,被认为非常接近许多行星的起始原料。 GIA的Valerie Power (瓦莱丽·包威尔)版权所有 ,H. Obodda Precious Gems and Minerals (沃波达宝石和矿物公司)提供。
她解释说,他们会在不同的压力和温度条件下做实验。 “如果我们对材料应用不同的条件,最终能否获得不同的地幔和内核成分?我们研究的不仅仅是地球,还有其他行星。”

我们问 Hillgren (希尔伦)使用哪台压机。 她笑着告诉我们,她使用全部压机。 “这取决于我想要获得什么样的压力!这里是一个活塞圆筒,可以获得 2 至 3 GPa 的压力。这可能非常浅。 其他均为多砧压机,如果想要更加深入,可获得的最高压力为 25 GPa。

Hillgren (希尔伦)说,水星的核幔边界最耐人寻味。 她解释说:“因此,如果你想探索内核的分离,这里的压力仅 7 GPa。使用这些压机,借助极其常规的方法,即可轻松研究这颗行星。”

最后,我们问 Hillgren(希尔伦) 是如何对这个领域产生兴趣的。 她觉得非常幸运的是,事情都按照他们所料想的方式发展着:“小的时候,我对天文学非常感兴趣,上大学后,我开始沉迷地质学......本科最后一年,他们开办了一个关于行星地质学的课程,对我而言,这恰好能将我所喜欢的这两门学科合二为一......外太空和地质学。“

如需查看有关华盛顿Carnegie(卡内基)研究所地球物理实验室高压研究的更多信息,敬请浏览:https://www.gl.ciw.edu/research/high_pressure_research

Carnegie(卡内基)研究所的其他高压研究

在 Steven Shirey( 史蒂芬·史雷)博士看来,Carnegie(卡内基)研究所地球物理实验室长期以来一直都是高压研究的领导者。 20 世纪初,该实验室开始在较浅的地层压力和较高的温度条件下做实验,研究地球中的岩石形成矿物系统。 科学家们希望对其热力学有一个基本的了解,找出地球深层岩石和岩浆的形成方式。

Shirey (史雷)告诉我们,地球物理学实验室目前尚未对天然钻石展开太多研究,但将来有可能会增大研究力度。 实验室的大部分工作都集中在合成钻石,尤其是 CVD 法生长钻石,以及对用于半导体及其他技术应用的外来新材料的实验上。

早期研究使用活塞圆筒

20 世纪 60 年代的研究使用了活塞圆筒,活塞圆筒是一种简单的高压设备。 Shirey(史雷) 描述到:“它有一个圆筒,这就是围压套筒,此外还有一个内环,一个辅助环和另外一个环。 这些限制环均配有压力,因此能在挤压活塞时应对可能出现的膨胀。”

这里是一个活塞圆筒,可以获得 2 至 3 GPa 的压力。这可能非常浅。
Steven Shirey(史蒂芬·史雷)博士介绍了地球物理实验室从地球的岩石形成系统着手的高压、高温研究领域的早期研究。
“将样本放入带有中心区域的各种材料制成的圆筒中,”他说。 “这通常是由贵金属,可能是黄金或铂金也可能是石墨,制成的某种密封仓。 然后,加入一堆可压缩的成分,可能是盐或叶蜡石,再围上一个套筒。”

叶蜡石是一种层状硅酸盐矿物,由铝硅酸盐氢氧化物 Al2Si4O10(OH2) 组成,广泛应用于高压实验,可能被用作垫片材料,或是压力传导介质。

Shirey (史雷)解释说,电阻加热系统通过孔口进入到圆筒内:“压缩所有内容物后,你会感受到来自压缩物的压力,并且会在对电阻加压时产生热量。”

这些设备可以获得 50 千巴 (5 GPa) 左右的压力,相当于地球内部 150 公里(93 英里)。他说:“这是活塞圆筒顶端的压力。”

“相比多砧压机而言,这种压力微不足道”,Shirey (史雷)指着身后的庞然大物说,“尽管如此,最早利用活塞圆筒解决的都是一些基本问题:地幔的熔融关系、各种熔体的形成。而这将模拟大量实验性工作,你可以看到地幔捕虏体中的材料已被带到金伯利岩之中。”

多砧压机

对天然钻石的形成所开展的任何研究工作都离不开多砧压机。它们能容纳更大体积的实验材料,Shirey(史雷) 说道。 就像活塞圆筒,科学家们可以在电阻上加电压,将样本加热到较高的温度,以复制地球或其他星球内部的情形。

多砧压机
在这段视频中,Shirey(史雷) 博士向我们展示了卡内基研究所实验室的多砧压机,并讲解了早期设备(如活塞圆筒)的优点。
但多砧压机以不同的方式工作,他说:“这些方向相反的立方块在较大的围压内漂浮起来,随后,其内部的立方氮化硼一角会出现切口,样本将移动到这些立方体的角落。”

Shirey(史雷) 用大拇指和食指夹住这个由镁和铬氧化物(MgO 和 Cr2O3)化合物制成的八面体样本托架。 它嵌套在可能由氮化硼或碳化钨组成的八个立方块的中心。 与压机相比,这非常微小。 一个斜孔穿过样本架,这是实验真正的发生地。 Shirey(史雷) 言之凿凿地告诉我们:“这是一台超大容量的设备。”

“它们的优势在于,可以承受超高的压力,具备足够大的容量,能够将电子显微探针放入其中,展开非常精密的分析。”

作者简介:《宝石与宝石学》主编Duncan Pay(邓肯·派) (dpay@gia.edu);加利福尼亚州卡尔斯巴德 GIA 内容开发部视频编辑Pedro Padua(佩德罗·帕多瓦)。 Jim Shigley(吉姆·史格雷) 博士是美国宝石研究院 (GIA) Carlsbad 鉴定所一位杰出的研究员。

作者衷心感谢 地球物理实验室研究科学家Valerie Hillgren(瓦莱丽·希尔伦)和 华盛顿特区Carnegie (卡内基)研究所地磁学部门高级科学家Steven Shirey (史蒂芬·史雷)博士及其同事们在考察期间为我们提供的倾力帮助和热情款待。