人類挖過的最深的洞穴位於俄羅斯科拉半島地下 12 公里處。儘管我們現在有一個宇宙飛船正在前往冥王星——距離太陽約 60 億公里——但我們仍然無法將探測器送入地球深處。因此，實際上，位於我們下方 6,380 公里處的地球中心，比我們太陽系的邊緣還要遙遠。事實上，冥王星是在 1930 年被發現的，而地球核心的存在直到六年後的 1936 年才被確定——使用的是地震資料。
儘管如此，地球科學家還是對我們的星球獲得了驚人的洞察力。我們知道它的結構大致像洋蔥，由地核、地幔和地殼形成同心層。地幔約佔地球體積的 85%，其緩慢的攪動驅動著地殼的地質災變。這個中間區域主要由矽、鐵、氧、鎂混合而成——每種元素在地幔中的濃度大致相同——以及少量的其他元素。但是，根據深度的不同，這些元素會結合成不同型別的礦物。因此，地幔本身也被分為同心層，不同的礦物在不同的深度占主導地位。
儘管大多數這些層的性質和組成在幾十年裡都已相當清楚，但直到最近，最底層仍然有點令人困惑。但在 2002 年，我的實驗室合成了在地球地幔最底部 300 公里處的溫度和壓力下形成的一種新型緻密礦物，從而解開了這個謎團。從那時起，研究表明，這種被稱為後鈣鈦礦的礦物，極大地影響了地球的動力學。研究人員已經表明，它在地幔中明視訊記憶體在，這意味著地幔的對流（較冷的岩石下沉，較熱的岩石上升，帶走地球內部的一些熱量）比以前認為的更加活躍，並且更有效地傳遞熱量。如果沒有後鈣鈦礦，大陸的生長速度會更慢，火山也會更安靜。後鈣鈦礦的形成也可能加速了地球磁場的加強，從而透過遮蔽宇宙射線和太陽風，使陸地上的生命成為可能。換句話說，後鈣鈦礦是理解我們星球演化的關鍵缺失成分。
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岩石底部
地球物理學家透過測量地震波來繪製地球的結構圖。地震發生後，由於波浪穿過整個地球，靈敏的儀器可以在世界的另一端接收到它們。當波浪穿過不同材料之間的邊界時，它們可能會被折射或反射。對這種行為的全球測量表明，地幔有五層，每層之間的邊界都以波速的跳躍為標誌。研究人員已將這些跳躍與岩石結構的變化聯絡起來——這些變化歸因於隨著深度增加而存在的壓力和溫度。
岩石由不同的礦物組成。礦物是原子排列成特定幾何圖案或晶體的結構，因此具有其自身的成分、物理性質甚至顏色——想想普通花崗岩廚房檯面中不同型別的顆粒。在地幔中特定深度閾值以下，巨大的壓力和溫度迫使元素重新排列成新的晶體結構。正如物理學家所說，材料會發生相變。
由於缺乏探測地球深處的能力，早期想要研究這些結構的地質學家不得不尋找由深層岩漿帶到地表的幔巖。這些岩石通常包裹著鑽石。由於鑽石是在 150 公里或更深的深度存在的壓力和溫度下形成的，因此可以推斷它們的寄主岩石起源於類似的深度；因此，它們提供了有關地幔最上部的豐富資訊。但是，來自 200 公里以上深度的幔巖或礦物很少到達地表。
隨著研究人員學會了在實驗室中產生高壓和高溫，他們變得能夠合成被認為構成地幔下層的礦物。岩石中的主要礦物為地幔層命名：在上地幔中，這些層是橄欖石層、改性尖晶石層和尖晶石層。然後，從 660 公里的深度開始，緻密的鎂矽酸鹽 (MgSiO3) 成為岩石的主要成分。它屬於一個龐大的晶體家族，稱為鈣鈦礦，鈣鈦礦是由帶負電的氧離子和兩種帶正電的離子（在本例中為鎂和矽）排列而成，透過靜電吸引力結合在一起。鈣鈦礦可以具有多種化學成分，包括超導體以及廣泛用於電子產品中的材料，例如，壓電致動器或電容器。
矽酸鎂鈣鈦礦於 1974 年在 30 吉帕斯卡的壓力下首次合成。（一吉帕斯卡，或十億帕斯卡，大約相當於海平面大氣壓的 10,000 倍。）在隨後的 30 年中，專家們的共識是，這種礦物應該一直存在到地幔底部，位於 2,890 公里的深度，而不會發生另一次相變。
然而，在 1960 年代，在地下約 2,600 公里處發現了一種新的地震異常。下地幔，以前稱為 D 層，現在被分為兩個子層，D′ 和 D″（D-撇號和 D-雙撇號），其中 D″ 區域佔據了地幔殼的最底部約 300 公里。1983 年，該異常被發現是實際的不連續性，但它被歸因於元素相對丰度的變化，而不是相變邊界。做出此假設的部分原因是鈣鈦礦是一種“理想”的晶體結構——原子以緊密堆積的幾何形狀排列，似乎可以最大限度地提高每單位體積的質量。專家們懷疑鈣鈦礦是否可以壓縮成任何比這更緊密堆積的結構。另一方面，元素丰度的變化也存在問題，因為對流應該攪動下地幔並將其內容物與上覆層的內容物混合，從而導致元素種類和比例的均勻性。
為了澄清情況，實驗需要超過 120 吉帕斯卡和 2,500 開爾文。我在 1990 年代中期對這個問題產生了興趣，後來開始使用金剛石壓砧池進行實驗室實驗，其中將類似地幔的材料樣品在幾顆寶石級天然金剛石（約十分之二克拉大小）之間擠壓到高壓，然後用雷射加熱。在 80 吉帕斯卡以上，即使是金剛石（已知最硬的材料）也開始發生劇烈變形。為了將壓力推得更高，需要最佳化金剛石壓砧尖端的形狀，以使金剛石不會破裂。我的同事和我經歷了無數次金剛石失效，這不僅花費了研究經費，有時也打擊了我們的熱情。最後，透過使用斜面砧，我們在 2001 年突破了 120 吉帕斯卡的上限。我們是世界上最早做到這一點的實驗室之一，也是第一個研究這種壓力對鈣鈦礦影響的實驗室。
晶瑩剔透
為了瞭解我們樣品內部發生了什麼，我們在 SPring-8 建立了我們的實驗，SPring-8 是世界上最大的同步加速器 X 射線設施，位於日本西部山區。近一個世紀以來，科學家們透過觀察 X 射線如何透過晶體衍射來解碼晶體的結構（基於原子間距離與 X 射線的波長在同一長度範圍內的事實）。SPring-8 發出的頭髮般細而強烈的 X 射線束使我們能夠以每秒僅一次的間隔拍攝高質量的照片，這對於監測這種極端條件下晶體結構的變化非常有用。
在 2002 年冬天，在 SPring-8，我的學生村上元彥來找我說，當矽酸鎂鈣鈦礦在 125 吉帕斯卡下加熱時，其衍射圖樣發生了劇烈變化。這種觀察通常指向晶體結構的變化——這正是我一直在尋找的。如果這是真的，那麼自 1974 年首次合成矽酸鹽鈣鈦礦以來，這一發現將是高壓礦物學中最重要，也可能是所有深層地球科學中最重大的發現。
然而，起初我並沒有太認真地對待這些資料，因為衍射圖樣可能會因多種原因而發生變化。例如，樣品可能會與將它們固定在砧中的材料（通常是粘土）發生化學反應，從而導致衍射資料發生根本性變化。幾天後，當我告訴我的親密同事關於這個新觀察結果時，他們的第一反應相當消極。“你一定是做錯了什麼，”一位晶體學家告訴我：鈣鈦礦是一種理想的、緊密堆積的結構，他指出，以前從未見過鈣鈦礦向更緻密結構發生相變。
我們多次重複了實驗。令人鼓舞的是，我們每次都觀察到了新的衍射圖樣。我們還發現，當我們在低壓下重新加熱樣品時，新的圖樣會變回鈣鈦礦的圖樣。因此，轉變是可逆的，這排除了樣品化學成分發生變化的可能性。在這一點上，我確信我們已將矽酸鎂鈣鈦礦轉變為一種新的結構。
接下來，我們發現，在 2,500 開爾文的溫度下，轉變發生在 120（而不是 125）吉帕斯卡——這正是對應於 2,600 公里深度的壓力，在那裡發現了神秘的地震波速度不連續性跳躍。我意識到，長期存在的謎團現在已經解決了：我們發現了一種新的相變和一種新材料，這種材料一定在 D″ 層中占主導地位。此外，我推測，新相的特性可能對地幔的動力學產生重要影響。
但在繼續我們的工作之前，我們首先需要確定新相的晶體結構，這很有挑戰性，因為當時已知沒有任何鈣鈦礦型晶體會在壓力下轉變為其他晶體。在將近一年的時間裡，我們翻遍了晶體學目錄，試圖將我們的衍射資料與已知的圖樣進行匹配——考慮到有數萬種這樣的晶體結構，這簡直是大海撈針。然後，在 2003 年年底，在新年假期期間，我的同事川村克幸（一位化學家）對高壓下的鎂、矽和氧原子進行了計算機模擬。他從非常高溫度下隨機分佈的原子開始，當他冷卻他的虛擬樣品時，混合物開始結晶。然後，他計算了這種晶體結構會產生的衍射圖樣，結果與我們實驗觀察到的圖樣完全匹配。
我們決定將新相命名為後鈣鈦礦。（嚴格來說，它不是礦物，因為它尚未在自然界中被發現。）事實證明，它的結構本質上與兩種已知的晶體，硫酸鐵鈾 (UFeS3) 和銥酸鈣 (CaIrO3) 相同，這兩種晶體在環境條件下是穩定的。* 我們的直接測量表明，後鈣鈦礦的密度確實高於鈣鈦礦，高出 1% 到 1.5%。
承受熱量
自從我們在 2004 年宣佈我們的結果以來，各個領域的研究人員都在此基礎上構建了一個令人興奮的新圖景，描繪了地球內部的許多不同過程。首先，我們的發現揭示了從地核流向地幔的熱量。地核主要由鐵組成，使其密度是地幔的兩倍。因此，在兩者之間的邊界處幾乎不會發生混合，並且熱量主要透過傳導進行交換。地幔富含放射性鈾、釷和鉀，而地核可能貧乏放射性同位素，這意味著其目前的溫度（可能為 4,000 至 5,000 開爾文）主要來自地球形成時遺留下來的熱量。從那時起，隨著熱量在地核-地幔邊界傳遞到地幔，地核隨時間推移而冷卻。
透過對下地幔材料的熱導率做出合理的假設，我的合作者和我能夠估計，從地核流入地幔的熱量速率可能為 5 到 10 太瓦，與世界所有發電站的平均輸出相當。與以前認為的相比，這是一個更大的能量流，因此也是更快的地核冷卻速率。因此，要達到目前的溫度，地核的起始溫度必須高於先前假設的溫度。
這種熱量流決定了地核自地球形成以來的演變方式。在年輕的地球內部，地核完全是液態的，但在地球歷史的某個時刻，核心開始結晶，因此現在它有兩層：一個內部的固態核心和一個外部的液態核心。更快的冷卻速率表明，固態核心可能不到十億年，與地球 46 億年的年齡相比，這還很年輕：否則，核心將比我們目前觀察到的要大得多。
核心的形成對地磁學具有影響，而地磁學反過來又對生命具有影響。地球科學家認為，熔融外核中液態金屬的對流是透過發電機作用產生地球磁場的。固態核心的存在使對流更加規則和更少混亂，從而產生比完全液態核心更強的磁場。地磁場保護地球免受太陽風和宇宙射線的侵襲，太陽風和宇宙射線可能導致基因突變，並且對陸地上的生命尤其危險。大約在十億年前，地磁場強度的變化可能使生命有可能從海洋擴充套件到陸地。
後鈣鈦礦不僅影響地核和地幔邊界處的熱擴散，而且也影響整個地幔的熱擴散，這一發現進一步揭示了地球的歷史。地幔柱在地核-地幔邊界上方形成。當柱狀物在後鈣鈦礦層內上升時，它會遇到較低的壓力，直到達到一個閾值，在該閾值處，熱的後鈣鈦礦會轉變為密度較低的鈣鈦礦，從而增加體積。由於密度低於周圍較冷的物質，柱狀物變得更加具有浮力，這促進了進一步的上升流。計算機模擬表明，在後鈣鈦礦存在的情況下，柱狀物的形成頻率更高，並且比整個下地幔僅由鈣鈦礦組成的情況下更曲折。模擬表明，透過這種方式，後鈣鈦礦的出現可能使透過地幔的熱流加速了 20%。
引起轟動
透過加速地幔對流，後鈣鈦礦的存在使上地幔的溫度升高了數百攝氏度。其中一個後果是火山比其他情況下更活躍。在早期地球中，當地核更熱時，地幔的最下部也更熱，並且超出後鈣鈦礦可以形成的溫度範圍。然而，矛盾的是，如果沒有後鈣鈦礦來加速熱流，上地幔會比現在更冷。隨著地球緩慢冷卻，一些鈣鈦礦開始轉變為後鈣鈦礦，可能是在大約 23 億年前，從而促進了從地核的熱流並提高了整個地幔的溫度。因此，研究人員估計，在過去的 23 億年中，更快的板塊運動和增加的火山活動可能導致大陸的生長速度是之前大部分時間的兩倍——儘管這一結論仍在激烈爭論中。
D″ 層的物理性質可能與上覆地幔的物理性質截然不同。最近的測量表明，後鈣鈦礦的電導率遠高於鈣鈦礦，使得最下層地幔的電導率提高了幾個數量級。當核心的流動模式發生變化時，高導電性的後鈣鈦礦層將增強液態核心和固態地幔之間的角動量交換。（交換是由所謂的洛倫茲力引起的。）其他研究人員進行的模擬表明，這種交換將以一種與在十年時間尺度上實際觀察到的日長毫秒級變化非常吻合的方式改變地球的自轉速度。後鈣鈦礦的電導率以及由此產生的巨大角動量交換也可能有助於解釋地球自轉軸的週期性歲差（章動）。
儘管後鈣鈦礦僅存在於地球地幔最底部的幾百公里處，但它可能構成其他行星的更大比例。理論預測，MgSiO3 後鈣鈦礦在高達 1,000 吉帕斯卡和 10,000 開爾文的條件下是穩定的，然後才會分解成二氧化矽和氧化鎂的混合物。因此，後鈣鈦礦應該是天王星和海王星岩石核心的主要成分。相比之下，木星和土星的岩石核心都被厚厚的氫層包裹著，這將使壓力和溫度過高，無法穩定後鈣鈦礦。
其他太陽系中的行星呢？迄今為止觀察到的所有系外行星都比地球大。那些小於地球質量 10 倍的行星被認為是類地岩石行星，被稱為超級地球。天文學家透過觀察系外行星的宿主恆星來推斷系外行星的成分。我們的太陽的大氣層在化學成分上與我們太陽系的行星相似，這可以從太陽光譜中的吸收線中推斷出來。天文學家也類似地從其他恆星的光譜中推斷出，許多超級地球可能具有與我們地球相似的成分。鑑於它們內部存在的壓力和溫度範圍，後鈣鈦礦可能是許多這些行星中最豐富的成分。
未完待續
關於我們星球富含後鈣鈦礦的 D″ 層的結構仍然存在疑問。長期以來，在這些深度觀察到地震波速度的巨大異常，就好像 D″ 層不是均勻的，而是有兩個明顯的特徵，一個大致位於非洲下方，另一個位於太平洋下方。是否可能存在兩個質量體，比周圍的岩石更緻密，但仍然足夠輕，可以漂浮在外核上，就像大陸漂浮在外地幔上一樣？這些“隱藏的大陸”可能會影響地幔底部的流動，並間接影響整個地幔的對流模式——甚至地表板塊構造。這些質量體是如何形成的，它們是否正在增長？太平洋下方的那個質量體是否與產生夏威夷群島的地幔柱有關？這些和其他問題可能會在不久的將來得到解答。
地球的最下層地幔長期以來一直令人費解，但由於後鈣鈦礦的發現，它的許多特徵現在都得到了很好的解釋。相比之下，關於富含鐵的金屬核，仍然存在許多問題。地核比地幔更難研究，因為直到最近，金剛石壓砧技術還無法重現地核中存在的壓力和溫度。研究人員可以通過沖擊波壓縮的蠻力方法產生更高的壓力，但該方法產生的溫度會過高。
然而，自 1952 年以來，人們就知道液態外核的密度比純鐵或鐵鎳合金低約 10%。因此，必須存在一種或多種較輕的元素，例如硫、矽、氧、碳和氫，但這些輕元素的識別仍然存在很大爭議。地核的溫度最好根據鐵合金在對應於地核中固液邊界的壓力下的熔化溫度來估算。但是，目前的估計包括超過 2,000 開爾文的不確定性，因為熔化溫度在很大程度上取決於確切的成分，而這是未知的。核心條件下鐵的晶體結構仍然未知，這使得解釋地震觀測結果變得困難。然而，就在最近，我們製造出了可以達到地球核心中存在的全部壓力和溫度範圍的金剛石壓砧，這為解決有關我們星球最深部分的這些未解之謎打開了大門。
這將有點像完全到達地球中心，即使只是在我們的想象中。
勘誤表（2010 年 9 月 14 日）：化合物 UFeS3 被錯誤地描述為硫酸鐵鈾；它應該是硫化鐵鈾。