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不畏浮云遮望眼-高压实验地球化学家Ringwood的故事精选
发布时间:2019-10-10 18:01:24 来源:赚钱斗地主-赚钱棋牌游戏-赚钱棋牌游戏下载点击:6

  俗语:“某人之废物,他人之宝藏”。发现于巴西某处泥土中的钻石因为杂质多,质地差而受到珠宝商人的冷落,然而对地质学家而言,锁在钻石内部的这些“杂质”却相当珍贵,其中的矿物颗粒形成于地下数百公里的地幔深处,为人类探索地球内部提供了良好契机。早在2014年,巴西世界杯激战正酣之际,加拿大阿尔伯塔大学Pearson研究团队深入巴西利亚以西约2000公里的农田中寻找从当地河流冲刷而来的钻石,并将数百颗带回了所在大学实验室。研究发现,钻石中包裹有一种叫做ringwoodite的矿物,含水量约为1%,由此计算总含水量为1.4×1021kg,天哪!竟然相当于世界海水的总和。关于地球上水的起源,长期以来,主流观点一直认为来自撞击地球时的彗星和小行星等天外星体,本项研究成果无疑将这种理论送进了深渊。早在19世纪,儒勒·凡尔纳在《地心游记》中就想象在地球深处存在宽广的海洋,谁曾想到,150年后,它竟然成为了现实,虽然此海洋非彼海洋。ringwoodite,是橄榄石高温高压下的同质异相体,具有尖晶石结构,形成于地幔过渡带(transition zone)下部520-660km处。澳大利亚地质学家Alfred E.Ringwood在研究地震波时,注意到地震波在地幔某处速度急剧变化,由此推测为橄榄石相变所为,由于没有实物,人们一直将信将疑,直到在陨石中发现其踪迹,才惊叹Ringwood的预测能力,将这种矿物命名为ringwoodite,实在再合适不过。

  

  ringwoodite(来自维基百科)

  Ringwood,1930年4月19日出生于墨尔本郊区,是家庭中唯一的孩子。父亲参加过第一次世界大战,落下了一身疾病,母亲从事文职工作,在大萧条时期,全靠母亲微薄的收入维持生计。糟糕的家庭经济状况使得Ringwood小小年纪就背井离乡,在外祖父开办的铸造厂打零工,外祖父上过成人大学,自学化学、无线电等,这无疑在Ringwood小小的心灵深处埋下了科学的种子。Ringwood学习成绩很棒,还喜欢踢足球,母亲望子成龙,对他寄予厚望,鼓励他考取当时澳大利亚最有名望的私立学校基隆文法学校(Geelong Grammar School)。他不负母望,顺利考取,虽然学习压力比原来大了许多,但也有了更多的学习动力,受到了更多的热情鼓舞,下课之余足球场上依然能看到他奔跑的身影。

  1953年,硕士毕业后,Ringwood又接着在墨尔本大学读起了博士,用实验方法研究金属矿床的起源。搭建论文所需实验设备过程中,他的一位老师兼朋友建议他有时间读读V.M.Goldschidmt的地球化学研究工作,这成了Ringwood生涯的转折点。他决定改换题目,应用结晶学与矿物学来理解地球的结构,地幔当时对大多数地球科学家来说还是神秘的禁区,而他迎难而上,一试牛刀。1956年,26岁之际,Ringwood博士毕业了,在导师E. Sherbon Hills的推荐下,他去了哈佛大学跟随Francis Birch继续从事地幔高压研究工作。在一次会议期间,他结识了来自澳大利亚国立大学(Australia National University,简称ANU)新成立的地球物理系主任John Jaeger,在后者的劝说下,Ringwood于1959年成为其中的一员。

  地震学家很早就知道在地幔400-900公里深处地震波速度迅速增加,Francis Birch在1952年发表的文章中也指出速度增加是由于密度增加引起的,而密度增加又是由压力增加导致的相变引起的。苦于当时实验设备达不到这样的深度,直接观测方法被判了死刑,间接观测方法则有了用武之地。Ringwood认识到结晶化学可以充当这样的角色,地幔中矿物的相变可以通过矿物组成元素中阴阳离子的半径比值进行判断。当压力增加时,原子被压缩,这些离子的半径比值发生变化,直到挤压形成新的结构。当用锗(Ge)取代硅(Si)时,在低压下,半径的临界比值就可以达到,Ringwood在实验室中系统研究了Fe、Mg、Ni、Co锗酸盐以及锗酸盐-硅酸盐混合体系中橄榄石到尖晶石结构的增压条件下的相变,推测现实中橄榄石到尖晶石的相变发生于地幔400公里深处。第一篇相关文章发表于1956年读博士期间,随后经过10年的不懈努力,终于在1966年与助手Alan Major合成了尖晶石结构的(Mg0.8Fe0.2)SiO4,并无意中发现了另一种同质异相体—β相尖晶石结构的Wadsleyite,由此正式确立了地幔过渡带的上限位置(400km处)。橄榄石-尖晶石的相变并不是地幔中唯一重要的相变,辉石-石榴子石相变在400-650公里占主导位置。1962年他还预测到一些硅酸盐会相变为钙钛矿结构,1972年第一次合成了钙钛矿CaSiO3,1974年合成了钙钛矿结构的MgSiO3。日复一日,年复一年,地幔的矿物学结构终于被阐明,一幅详尽、令人愕然的地幔图展现在世人面前,尽管还有许多细节等待完成。这幅画上到处都是Ringwood的浓笔淡墨,没有一个人,无论是死的还是活的,能像他一样对这幅画作出如此巨大的贡献。此后二三十年,Ringwood不仅在高温高压设备的研发和地幔矿物及组分的应用方面保持了领先地位,而且成为将实验研究与地球物理观测相结合的最权威、最全面的学者。他在国际会议上所作的科学报告的特点是提出新的数据,具有独立性和原创性的思想,以及在提出时的清晰和有说服力的表达。但是这并不总是意味着Ringwood一贯正确,实际上他经常犯错,但从未偏离轨道,毕竟原创性思想在最初总会惹起争议,而不是得到赞赏。其实他的整个职业生涯都充满了幻想,有些已经像亚细亚的孤儿被遗弃了,有些则像古典美人乐蒂受到更多的宠爱,成为21世纪的科学基础。

  

  地幔过渡带位置及其矿物组成(来自网络)

  在1970s中期,澳大利亚公众对出口铀矿一直存在争论与分歧,虽然澳大利亚国内没有建立一座核电站,但对国外核动力反应堆燃烧澳大利亚的铀产生的高放射性废弃物(High-Level Wastes,简称HLWS,不知这种垃圾该归于何类?)却“杞人忧天”,这种HLWS即使在几千年的时间里依然存在放射性风险。中国东部沿海地区分布着10座左右核电站,核废料的处理也是个棘手的问题,作者曾在山光秀丽、海天一色的深圳大鹏半岛国家地质公园工作了多半年时间,深深痴迷于园区的火山地质景观,但也没有忘记在它北侧几公里处,就掩卧着中国第一座核电站-大亚湾核电站。在当时,大多数国家的做法都是将HLWS封存于整块玻璃中,但是Ringwood认识到这并不是一种理想的方法,玻璃对地下水侵蚀抵抗性弱,与之相比,陶瓷倒是有不少优势。利用他丰富的地球化学与矿物学知识,经过18个月的奋战,SYNROCK(SYNthetic ROCk)应运而生,并获得了专利。SYNROCK是一种钛基陶瓷,其组成矿物在晶格中具有固定不动的能力,几乎适于HLWS中所有放射性核素,在大自然各种环境中也可长期确保安全。Ringwood决定召开一个记者发布会,来宣布他这种新产品,令他万万没有想到的是,竟然遭到了来自四面八方的批评,因为SYNROCK的出现影响了相关者的利益及管理方式。尽管如此,在现实应用中,SYNROCK效果良好,有利回击了那些没有根据的诋毁,这也让Ringwood长舒一口气。

  地球物理与地球化学系原属物理科学研究学院,在John Jaeger的领导下茁壮成长,研究方向也不断扩充,但随着John Jaeger在1970s早期临近退休,地球物理与地球化学系却出现了徘徊不前的局面,这使得那些地球科学家大为光火,他们不愿意逆来顺受,明哲保身,甘做缩头乌龟,在他们眼里科学家应该活得有血有肉,有滋有味,而不是像偏房的小妾畏畏缩缩,且行且回首。他们给学院领导施压,要将地球物理与地球化学系分离出去,组建新的学院。Ringwood是这一运动的倡导者,在ANU大学委员会面前慷慨陈词,据理力争,陈述地球科学对澳大利亚,对ANU的重要性。原本支持学院领导的ANU大学委员会开始支持地球物理与地球化学系,最终决定成立新的地球科学研究学院,Ringwood也成为这个学院的第二任领导(1978-1983)。

  Ringwood一生共发表过300多篇文献,出版过2本书籍,分别是《The composition and petrology of the Earth’s mantle》与《The Origin of the Earth and Moon》,研究领域主要涉及6方面:(1)高压下矿物相变及其对地幔结构的影响(约100篇),(2)幔源岩浆的形成机制(约40篇),(3)地核的组成(17篇),(4)行星和陨石的地球化学演化(约30篇),(5)月球的起源与组成(约60篇),(6)地球化学在核废料处理中的应用(约35篇)。

  1993年12月12日,Ringwood死于淋巴癌,终年63岁,他的职业奉献,他的激情飞扬,他的娱乐消遣,他的兴趣追求也随之而去,地球科学界也为过早失去了她最丰富的思想和最有效的实验科学家之一而惋惜。Ringwood是一位伟大的科学家,他获奖无数,在国际上具有崇高的地位,他的工作包括了40年的创造性、争议性、实验演示以及数据和见解的积累,他的家人、同事和他大学里的朋友,以及世界各地的学术团体和大学里的朋友,都在哀悼他的英年早逝。

  

  Alfred E.Ringwood(1930-1993,来自网络)

  受全球策略及国家政策的影响,目前地质正处于大萧条时期,但单纯从科学的角度考虑,它则正是窈窕淑女、君子好逑的美妙年华,地球化学在当今一统天下,展示了她的窈窕身段。令人痛惜地是,Goldschmidt没有再活几十年,没有更多像Ringwood一样的地球化学家,否则时至今日,地球化学会是所有地球科学之母,会展翅飞翔于矿物学、岩石学等各种学科,我们也就不必匍匐在像AGU或GSA这样的狭隘社会组织的围裙下。地质学并不像黄梅调、武打片、西部片一样只是一个时代的经典,而是自始至终,展现着他的魔力,他虚怀若谷,容纳百川,渴求为梦想而战的人加入他的战队,披荆斩棘,开疆拓土,创造辉煌。

  

  地球深处想象的海洋(《地心游记》中插图,来自文献4)

  致谢:感谢东北大学高文元博士为写就本文所提供的资料。

  参考文献

  1.D.H.Green,1998,Alfred Edward Ringwood 19 April 1930-12 November 1993. Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society,pp351-362

  2.Albrecht W.Hofmann,1992,Introduction of A.E.Ringwood for the 1991 V.M.

  Goldschmdt Award.Geochimica et Cosmochimica Acta Vol.56,pp4333-4335

  3.Ted Ringwood,1992,Acceptance Speech for the 1991 V.M.Goldschmdt Award. Geochimica et Cosmochimica Acta Vol.56,pp4337-4338

  4.Hans Keppler,2014,Earth’s deep water reservoir.Nature 507,pp174-175

  5.D.G.Pearson et al., Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond. Nature 507,pp221-224

  6.David H.Green,1994,Memorial to A.E.(Ted)Ringwood 1930-1993. Geological Society of America Memorials, v. 25, November, pp113-116

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