照亮地球深部的“明灯”——高温高压实验

周春银 金振民

①博士，②中国科学院院士，中国地质大学(武汉)地球科学学院，武汉 430074

照亮地球深部的“明灯”
——高温高压实验

周春银①金振民②

①博士，②中国科学院院士，中国地质大学(武汉)地球科学学院，武汉 430074

高温高压实验；地球内部；地质学；地球物理学

地球是人类赖以生存和发展的家园，相对于其表层系统(大气圈、水圈、生物圈)，人类对地球深部的认识仍然非常有限。地质学/地球化学方法通过研究地表出露的来自地球深部的岩石矿物和来自外太空宇宙的陨石等样品，来推测地球内部物质的性质。地球物理方法则利用地震波来探测地球内部的结构。半个多世纪以来兴起的高温高压技术，使得科学家能够在实验室中模拟地球内部的极端压力和温度环境，同时结合各种现代化分析测试手段，对岩石和矿物在极端高温高压条件下的性质状态进行原位研究，极大地促进了我们对地球内部的物质组成和结构的认识。因此，高温高压实验技术已经成为人类探索地球深部结构和物质组成的“明灯”。

温家宝在2012年回母校中国地质大学与师生交流讲话时曾论述道：“只要有地球存在，只要有人类存在，只要人类在发展和进步，地质学就不会枯竭。”这阐明了地球科学与人类发展的密切关系。地质学的一个基本任务就是认识地球的活动来为人类的生存和发展服务。地球从内到外是一个复杂的系统。地球表层系统如大气圈、水圈、生物圈，与我们的生活息息相关，自古以来人类就在不断积累这方面的知识，但是我们对地球内部的认识，相对于其表层系统极其有限，主要原因就是我们能够深入地下的深度非常有限。目前中国大陆科学钻探工程在江苏北部东海县的钻孔最深达5 158 m，人类在大陆上最深的钻探深度记录为12 261 m(前苏联科拉半岛超深钻)，而在洋底的钻探深度仅仅为2 km左右。换句话说，人类所触及的地球深部尚不及地球(平均)半径(约6 371 km)的1/500。人类要进入地球深部，面临着重重困难。关键问题是，地球深部是极端的高温高压环境，不仅人类无法生存，连一般的物质材料在这样的极端条件下也难以保持稳定。要进入地球内部，首先要获得耐高温高压的材料，而这些材料在目前来说不仅非常昂贵而且极其稀少。科学家们一直在努力工作，不断地揭示地球深部的物质材料的特征和性质，使得我们有幸能够了解和认识地球内部的奥秘。

1 怎样了解地球深部的结构和组成

20世纪中叶至今，航空航天技术得到了日新月异的发展，然而人类对地球深部的探测举步维艰，“上天容易入地难”成为了全世界地质学家们共同面对的一个难题。有没有办法让我们不需要进入地球内部，就能获取地球内部的信息呢？答案是肯定的！这里不得不提到地质学家/地球化学家和地球物理学家已经在这方面做了非常杰出的工作。

地球是一个活跃的星球，其内部和表层都是活动的。地球内部的物质可以通过板块运动和火山作用等以包体(xenoliths)等形式携带至地表，这些散落在地表的来自地球深部的物质经过亿万年的“洗礼”，仍然可以保持相当多的原始的地质学信息。例如，科学家通过对大量地幔橄榄岩包体的地球化学和物性分析，确定上地幔的主要成分是橄榄岩类。另外，来自外太空的陨石，尤其是(碳质)球粒陨石，被认为是原始地球形成时一同形成的，因此保留着原始地球形成时的化学成分信息。将这些来自地球深部的样品、地外的陨石和现在地球物质的地球化学成分进行对比分析，对于我们认识地球的形成演化和内部活动具有重要的意义。地质学家利用类似的方法，对来自地球深部的岩石样品(如榴辉岩、橄榄岩)进行矿物岩石学、结构构造和地球化学等方面的研究，推测这些岩石在地球深部的性质状态，同样也可以获得相关对地球深部的认识。但是，地质学/地球化学方法有一个很严重的局限性，就是能获取地球内部样品的深度非常有限，也就是说，有相当多的地球内部物质在地球的活动中(如火山喷发)无法到达地球表面。目前得到确认的最深的样品也不过来自于地下大约二三百公里，尽管比超深钻深度高上百倍，然而与地球半径比起来依然相差甚远，仍然不能够提供足够多的有关地球内部的信息。但是，地球物理方法不受深度限制。

地球物理方法主要依靠穿过地球内部的地震波来探测地球内部的结构和构造，最常见的是P波和S波两种。P波为压缩波(纵波)，传播过程中粒子振动方向和传播方向平行，传播速度比S波快，P波能在固体和液体中传播；S波为剪切波(横波)，传播过程中粒子振动方向和传播方向垂直，传播速度比P波慢，只能在固体中传播而无法穿过液体物质。地震波在传播过程中可以穿过地球内部，如同对地球进行X光透视或CT透视检查一样。当地震波遇到地球内部物质发生突变的界面时，地震波会发生反射和折射，可以根据地震台站所接收记录的地震数据(走时，travel time)进行解析，进而确定这些地球内部的特殊界面的深度位置。地球内部物质在这些界面附近会发生性质突变(如密度和波速突增)，这些界面因此被称为不连续面(discontinuity)。地球内部的主要圈层结构就是通过这些不连续面而被逐渐识别出来的。地球从外向内分为地壳、地幔和地核三个主要圈层结构(图1)，其中地壳和地幔之间的界面被称为莫洛霍维奇不连续面(简称莫霍面)，地幔和地核之间的界面被称为古登堡不连续面(简称古登堡面)，地核内部物质也不是均一的，而被分为液态的外核和固态的内核。地球物理学家在帮助认识地球内部圈层结构方面取得了辉煌的成就，现在通用的地球模型也是他们的杰作，而且地球物理对板块构造理论的最终确立功不可没。那么是不是说地球物理方法就可以解决所有问题了呢？并非如此。地球物理方法得出的结果在很大程度上依赖于解析过程(正演和/或反演)，地球物理观测的分辨率(尤其是横向上)仍然有限，不确定性在公里至数十公里级别之上，无法完全解析地球内部精细结构的信息，特别是难于解释地球内部物质的化学成分。地球物理学家目前正在努力提高地球物理数据的分辨率，但是仅仅提高分辨率仍然不够，因为地球物理学只能告诉我们通过地震波所探测到的地球内部结构的反映，除了P波和S波速度(VP、VS)以及密度ρ这些参数(包括相应的变换参数，如弹性模量、泊松比)以外，其他方面的信息极其有限，并不能完全解释地球内部物质化学成分的变化和运动状态。另外，要进行大范围的地球物理观测必须先建立(包括后期维持)庞大的地震观测台网，而这是花费极其昂贵的项目，尤其是在浩淼的大洋地区。除此之外，地球物理方法只能观测到现今地球内部的一些明显的大尺度结构，而对地质历史时期中地球内部的活动知之甚微，相对于地质学/地球化学方法来说地球物理方法缺少时间尺度上的约束。

地质学/地球化学方法通过对地球组成物质样品进行直接的观测和实验来认识地球内部的成分和活动，这是一种“所见即所得”的方法。地球物理方法则通过地震波等工具来对我们所无法触及的地球内部结构进行间接的推测分析，这是一种“超时空感应”的方法。那么，有没有一种途径，既能吸取地质学/地球化学的“所见即所得”，又能结合地球物理的“超时空感应”呢？有！高温高压实验正是这样的一种方法。

高温高压实验，有时也被称为超高压实验。在地球科学中，它采用现代科学技术产生高压、高温环境，模拟地球内部的极端温压条件，研究岩石和矿物在这种高温高压条件下的物理化学性质等，从而推断这些岩石矿物(地学材料)在地球深部的性质和状态。下面对高温高压实验的一些特点作简单介绍。

图1 地球内部的主要圈层结构简图。地球从内向外分为地核、地幔和地壳三部分，地核可以再细分为液态的外核和固态的内核。带箭头的蓝色线条指示地震波P波在地球内部的传播路径，由于地震波在地球核幔边界上的反射和折射作用，P波无法到达距离震源103º~142º之间的区域，该区域被称为P波阴影区；而由于S波无法穿过液态的外核，因此在距离震源103º以外的区域均接收不到S波，该区域被称为S波阴影区。右上角示壳幔边界和核幔边界示意图：大陆地壳厚度在20～70 km不等，而大洋地壳厚度一般低于10 km，并不断发生俯冲作用进入地球深部；大洋板块有可能会俯冲到核幔边界之上，因此这里被称为“板块的坟墓”，温度较低的地方可能或存在后钙钛矿这样的高压矿物相，温度较高的地方会产生熔融作用形成上升的地幔柱流(地球背景图来自于NASA)

2 高温高压实验概述

高温高压实验技术离不开其他学科的发展进步，尤其是物理化学学科的发展为高温高压实验提供了物质和理论基础，数学和计算机科学则使得高温高压研究更加定量化和自动化。高温高压研究实际上是一门综合性学科。

高温高压实验技术分为动高压和静高压两种：前者是通过爆破或者高速冲击方法产生瞬间高压，后者是通过外界机械从不同方向对研究材料进行逐步加压而达到准稳态高温高压条件。下文主要介绍静高压科学研究在地球深部物质研究方面的运用。

高温高压实验的基本工作原理，就是将研究材料放置于超硬材料压砧(anvil)顶端，然后利用外力(油压)从不同方向对实验材料进行施压，从而产生高温高压条件来研究实验材料在极端压力条件下的各种性质。这里所说的“压力”(实际上即压强)等于单位面积上所受的力，即P=F/S，但是在不同的高压装置中压力的标定是有区别的。目前在地球科学中广泛运用的主要有以下三种高压装置。

常见的活塞圆筒式装置(piston-cylinder apparatus，PCA)是相对较为简单的高压仪器，它利用外界油压对活塞施压来产生高压，这是一个简单的单轴压缩，样品的压力可以根据油压和活塞底面积来计算(P=F/S)，压力和油压具有良好的线性关系。活塞圆筒式装置可以获得最高接近5 GPa的压力条件(1 GPa = 109Pa ≈ 1万个大气压)。基于安全和稳定性考虑，活塞圆筒式装置在实际运用中主要用于3 GPa以内的科学实验，即大约100 km深度范围内的深部科学问题研究。

随着技术的发展，科学家发明了从多个方向施压的高压装置——多面砧装置[1](multianvil apparatus, MA)，包括4面砧、6面砧以及8面砧，其中后两者目前较为流行。多面砧装置从多个方向施压并减小砧头的截面积，比活塞圆筒式装置可以更有效地产生更高的压力。典型的多面砧装置如在日本最常见的川井型(Kawai-type)多面砧(6-8型)装置(图2)，通常采用二级加压方式，一级为钢材料，二级使用碳化钨压砧材料，样品放置于压砧砧头之间的传压介质中。多面砧压机如果采用超硬碳化钨材料做二级压砧，可以获得大约30 GPa以内的高压；如果采用烧结金刚石(sintered diamond，SD)做二级压砧，目前最高则可以获得100 GPa左右的压力。

第三种高温高压装置金刚石压砧[2](diamond anvil cell，DAC)则利用最简单的原理来产生高温高压条件。它采用两颗宝石级的金刚石，一端切割成近圆锥体，顶端磨成一个面积非常小的水平面，实验中将两颗金刚石平行对顶放置(图3中金刚石压砧示意图)，实验样品放置于两颗金刚石之间的密封垫孔内。在实验中必须将两颗金刚石进行准确的严格几何对中，以保证两颗金刚石切面平行，才能产生尽可能稳定均一的压力条件。金刚石压砧装置相对来说结构较为简单，主要由金刚石砧头、支撑加压装置和外部机械装置组成，体积小而轻便，携带性强，容易操作。金刚石压砧装置，则可以达到超过地核中心(大约364 GPa)的压力条件，如美国卡内基地球物理实验室曾获得550 GPa的静高压记录[3]。金刚石压砧是目前获得100 GPa以上静高压的绝对主要技术手段。

利用耐高温电阻材料可以获得上千摄氏度的高温，常用的加热材料如石墨、铬酸镧以及部分耐高温金属如铼等，根据不同的实验温度要求可以选择不同的加热材料。多面砧装置的加热主要是利用加热材料管(如石墨、铬酸镧，或者金属铼等)来完成，可以获得高达近3 000 K的温度，利用热电偶来测量温度。在金刚石压砧实验中，样品的加热分外加热和内加热两种方式，现在通常利用激光加热(内加热)可以获得近6 000 K这样的极端温度(这几乎快达到太阳表面的温度！)，并利用光辐射原理测量温度。

图2 Kawai型(6-8型)二级多面砧装置简化图以及二级压砧和传压介质中样品组装示例

目前的高温高压实验装置基本上覆盖了整个地球内部的温压范围，但通常的多面砧装置高温高压实验温压条件主要针对上地幔环境(28 GPa，2 500 K以内)，使用烧结金刚石做二级压砧的多面砧实验可以达到下地幔中部压力条件，金刚石压砧实验压力条件较为广泛(图3)。在实际实验中将温压条件控制在一定范围内，其原因主要是基于对实验装置稳定性和实验成本的考虑。要想获得更高的压力，一方面应尽可能减小样品的受力面积(即减小压砧的切角)，另一方面则需要使用强度更高的特殊材料(如金刚石)。

多面砧和金刚石压砧技术是目前高温高压实验中最常用的两种技术，两者均有各自的特点。金刚石压砧比多面砧装置可以获得更高的压力和温度条件，而且金刚石具有良好的光学性质，透光性好，因此便于使用如X光、激光Raman等方法做分析和激光加热，使其在高压科学中得到广泛的运用；但是金刚石压砧实验中样品体积极小，不足100 μm，如果采用激光加热，有效加热区直径只有大约10 μm的区域，难于获得均匀的温度场，几十微米以外的温度会骤然下降，如后钙钛矿(post-perovskite)相变[4](100～130 GPa)实验中样品内就存在着极高的温度梯度。多面砧装置的稳定性相对更高，可以产生较好的(近)静水压条件和加热环境，而且在实验中可以使用体积相对较大的样品(从100 μm至厘米级)，这使得多面砧装置在实际工作中对样品具有广泛的选择性。多面砧与金刚石压砧在高压地球科学研究中是两种相辅相成、不可或缺的重要技术，尤其是同步辐射与高压技术的结合[5]，使得科学家能够在原位(in situ)条件下研究岩石矿物材料的性质，后钙钛矿的发现正是得益于同步辐射技术在高压科学研究中的运用。

图3 目前高温高压实验所能达到的压力和温度条件示意图(1 GPa = 109Pa，相当于大约1万个大气压)。棕色：KWA/WC，Kawai型多面砧装置(二级压砧使用碳化钨材料)；黄色：KWA/SD，Kawai型多面砧装置(二级压砧使用烧结金刚石材料)；浅黄色：LHDAC，激光加热金刚石压砧。上图(图片来源：爱媛大学)为安装在日本爱媛大学超高压实验室的BOTCHAN-6000多面砧装置；下图(图片来源：SPring-8)为安装在日本同步辐射中心SPring-8高温高压实验站BL04B1站台的复合型Kawai多面砧装SPEED-Mk.II。红色区域示地球内部的可能温度条件，温度随深度/压力增加不确定值增加。目前科学家估计，地球中心的温度有可能比太阳表面的温度更高

3 高温高压实验在地球深部研究中的特殊地位

地质学/地球化学和地球物理方法在地球深部研究中存在一定的局限性，而高温高压实验可谓另辟蹊径，开拓了新的思路，成为传统地球化学/地质学和地球物理学方法之外研究固体地球的利器。

一方面，高温高压实验不受采样地点的限制，可进行实时原位观测。传统地质学/地球化学采样是一项非常小心细致的工作，在野外需要对样品进行初选，然后在实验和分析之前需要进一步的筛选，另外还要考虑天然样品的来源和大地构造背景，无法确定来源的天然样品没有什么说明意义。另外，天然样品在从地球深部被携带到地表的过程中，几乎不可避免地会遭受其他地质作用的改造和“污染”，包括脱水作用(dehydration)/水合作用(hydration)、再熔融作用(remelting)、交代作用(metasomatism)、变质作用(metamorphism)和风化作用(weathering)等，这会导致对样品代表性和来源的解释变得非常繁琐和复杂，并带有一定的不确定性；而所得到的相关结果其实是前面所有这些可能经历过的地质作用改造后的最终结果，换句话说，现在得到的并不是样品在地球深部原始状态时的化学成分和结构构造，即非原位(ex situ)的结果。高温高压实验则摆脱了对采样地点的限制，可以模拟绝大部分地球内部环境，开展广泛的矿物(岩石)相变实验、流变学实验、熔融实验等。结合同步辐射技术(synchrotron radiation)，可以对高温高压状态下的样品实现实时原位观测分析，这使得分析结果与这些物质在地球内部的真实状态更加接近，具有极其重要的意义。

另一方面，高温高压实验为地质学、地球物理观测结果提供了重要的物质解析证据。地质学上对很多来自地球深部的特殊样品进行分析时，不得不依靠高温高压实验的结果来解释。比如高温高压实验研究表明，SiO2柯石英相和金刚石分别只在大于3 GPa和5 GPa的压力条件下才能平衡稳定，而超高压变质带岩石中柯石英和金刚石的发现[6-7]，指示着这些大陆板块物质曾经俯冲到100 km以下的深度后又重新折返回地表，这些重要发现兴起了大陆动力学研究的热潮。另一方面，地球物理观测到的是地球内部结构(如不连续面)对地震波的反应，但它本身无法解释。比如，地震层析成像(seismic tomography)可以显示地球内部存在的多个不连续面，但是地球物理学却无法从本质上(物质组成和性质)对这些地球内部结构进行合理的微观解释。高温高压实验通过对岩石矿物在地球内部对应高温高压状态下的结构和性质研究，不仅可以观测到矿物在地球内部化学成分的变化，而且可以获得矿物在地球内部物理性质和结构的转变(地震波速、密度等)。将这些矿物的物性和地球物理数据进行对比分析，获得了很多一致性的认知，从而为地球物理观测解析提供了重要的佐证。科学家通过高温高压实验，结合地球物理观测结果，已经确定了地球内部各圈层的基本物质组成。

4 人类目前对地球深部的认知

自从高温高压实验在地球科学尤其是地球深部研究中被广泛推广以来，人类对地球深部的认知也得到了极大的提高，主要包括以下几个方面：

(1) 对地球内部物质组成的基本认识。由于无法直接进入地球深部，而能获取的来自地球深部的样品又非常有限而且经常被后期改造，因此目前唯一的办法就是创造一个地球内部条件，来研究地球组成成分在地球内部极端条件下所形成的矿物相，这正是高温高压实验的优势所在。地球内部的主要结构和物质组成见图4。通过对出露在地表的地幔岩石的分析，地质学上已经确认了上地幔转换带(410~660 km之间的地幔部分)以上的地幔岩石组成为橄榄岩，主要包括橄榄石、两种辉石和石榴子石等矿物。高温高压实验表明，在地幔转换带[8-9]中地幔岩石/矿物会发生相变，主要成分为瓦兹利石/林伍德石和石榴子石；下地幔的主要成分为硅酸盐钙钛矿和铁方镁石，其中直到下地幔底部被称为D"层的核幔边界之上的深度位置，镁硅酸盐钙钛矿有可能会转变成为后钙钛矿。后钙钛矿的发现被认为是21世纪初高温高压实验在固体地球科学研究中取得的最突出成果，是由东京工业大学的日本科学家利用金刚石压砧实验最先发现的。地核的分层结构最初是由地球物理观测发现的，但是对于其物质组成方面的研究仍然离不开高温高压实验。高温高压实验证明地核主要是由铁元素构成的。实验揭示纯固态铁在内核条件下的密度和弹性参数与地球物理观测结果非常吻合，说明内核基本上由纯固态铁构成，而仅含有极少量的其他轻元素；但是外核比相同状态下的纯铁密度要小约10%，说明外核含有相当量的其他轻元素(如C、H、O、S、Si等)，可能为铁镍合金。目前关于地核中所含轻元素的种类和含量，学界尚存较多争议，还未达成一致的观点看法。针对地核条件下的高温高压实验的开展仍然比较困难，压力极高实验风险也极大，而且成本极高。

(2)对地球内部物质的物理化学性质的基本认识。仅仅了解地球内部物质是什么还不够，还需要知道这些物质在地球内部的性质和状态，这也必须依靠高温高压实验。出露在地表的岩石，进入到地幔中以后，会发生脱水和相变，新的高压矿物将形成。这些高压矿物的性质与地表(常温常压)矿物在结构和物性上具有很大的差异，波速会升高，密度会增大。另外还可以研究这些矿物的含水性(hydrous solubility)、导电性(electrical conductivity)、物理弹性(physical elasticity)、地球化学分异(geochemical differentiation)、流变学(rheology)特征等，这对于认识地球内部物质的形变和运动状态非常重要。利用高温高压实验研究矿物和岩石在地球深部的赋存状态以及变形机制，有助于我们认识火山作用、板块运动、地幔柱(mantle plume)活动等地球动力学问题。例如与岩石圈深俯冲相关的动力学行为研究中，岩石圈岩石在地表时密度和强度可能远远低于地幔岩石的密度和强度，但是一旦俯冲到地球深部以后，其内部的矿物发生相变形成新的高波速、高密度、高强度矿物，将会改变原来的岩石圈和周围地幔的密度和力学强度关系，这对于探讨岩石圈的深俯冲和折返具有重要的意义。

图4 地球内部的结构和主要物质成分(修改自本文作者的博士论文)。图左天然矿物(图片来源：http://www.minerals.net/)分别是石英、正长石、橄榄石、透辉石和钙铝榴石；翠绿色含水瓦兹利石为德国拜罗伊特大学高温高压实验室科学家Steven Jacobsen在高温高压条件下合成的地幔转换带含水矿物，图片来自文献[1]；下方示下地幔底部、核幔边界之上D"层可能存在的钙钛矿-后钙钛矿相变(http://www.sci.ehime-u.ac.jp/~takut/)以及地核中可能存在的三种铁结构(http:// www.psc.edu/science/Cohen_Stix/cohen_stix.html)。地球内部主要的不连续面的深度以及对应的压力和温度在图中进行了标示，但是目前对地球内部的温度还缺乏足够的了解认识，主要是根据高温高压实验结果来推测的

(3)为地球物理观测提供不可或缺的解析证据。地球物理观测结果的解析具有多样性和不确定性的特点，解析的分辨率往往都是大尺度的(数十公里以上)，难于给出本质的解释；而高温高压实验则从微观小尺度入手，以最简单的体系开始为研究对象，通过对体系内矿物岩石性质的研究，搭建起地球物理和(高温高压)实验岩石学的桥梁，为地球物理观测提供重要的物质学解析基础。例如，地球物理观测在20世纪早期就确认了地幔中主要的不连续面的存在，但在对这些不连续面解释时，由于当时缺乏相应的实验物质证明，无法完全证实Birch等[10]有关橄榄石的高压相变和上地幔中不连续面密切相关的观点。到了20世纪60~70年代，随着地球物理研究水平的提高(同时也是板块构造理论逐渐确立地位的时期)，以澳大利亚国立大学的林伍德(Ringwood)、刘林根(Liu Lin-Gun)和日本的秋本俊一(Akimoto Shunichi)、伊藤英司(Ito Eiji)等为代表的众多科学家对包括橄榄石在内的主要地幔矿物进行了系统的高温高压实验研究，才确立了上地幔中的主要不连续面是由橄榄石的高压相变引起的普遍认识[11]；而对于下地幔底部、核幔边界之上神秘的D″层，也是随着2004年高温高压实验中后钙钛矿[4]的重大发现而有了全新的解释和认识。

5 高温高压实验在地球科学中的发展前景和展望

地球科学是揭示大自然秘密的科学之一，但是地球科学相对于其他基础学科如物理、化学来说，往往不被承认是一门独立的学科，因为传统地球科学中定性描述太多而定量分析却比较困难，这使得地球科学有时候会沦为其他学科的应用学科领域或者边缘学科。然而，地球科学具有其独特的科学特点，现在的地球科学理论基础在相当大程度上是建立在板块构造理论之上的，该理论以板块运动为中心成功解释了很多地表地质现象。随着地球科学的新发展，人们也逐渐认识到板块构造理论的局限性，板块构造理论讨论的地质现象基本上只限于地表(主要是岩石圈范围)附近的二维运动学变化，而对于地球深部物质的运动状态的认识却很少涉及。地球是一个整体的系统，地球深部的运动和地球表层的响应是我们认识地球本身最基本的出发点，高温高压实验则是我们了解认识地球深部运动和地球表层响应的重要途径之一。

高温高压实验不是地球科学所独有的实验方法，但在地球科学中的运用得到了长足的发展，其主要原因在于所产生的高温高压条件与地球(行星)内部环境非常一致，这使高温高压实验研究具有了可推广运用的广阔领域。高温高压实验运用的是其他基础学科的技术方法，而在地球科学中研究的对象主要以地球深部物质为主，因此它是目前地质学/地球化学和地球物理方法之外研究地球内部最主要的手段。

传统地球科学是以主要研究地球表层运动学的板块构造理论为基础，而高温高压实验主要以地球深部物质为研究对象，这使得难以将新兴的高温高压实验研究划分到任何传统的地球科学分支中。但是需要注意的是，高温高压实验仍然是以基本的物质学研究为基础的，只是研究对象是(地球深部)高温高压状态下的物质材料；同时在对实验结果进行解释和外推时，需要考虑适用的大地构造条件和地球内部环境，从而对相关的地球动力学问题进行合理的解释和推测。

地球深部高温高压实验研究以地球深部物质的相变为基础，首先解决的就是地球内部物质“是什么”的问题，然后才有可能开展其他如流变学方面的研究。高压相变实验主要研究矿物和岩石体系在地球深部条件下的矿物组成和化学成分变化，这是基本的矿物学(结晶学)和岩石学研究；在高温高压状态下分析矿物和岩石的微观结构和构造，这是显微构造方面的研究；将实验中微观尺度的现象推广到地球内部的宏观尺度并解释相关的地球动力学现象，这是大地构造方面的工作。高温高压实验中除了特定的产生高压高温的装置以外，运用的也是常用的分析手段，如X光衍射可以用来做物相鉴定和研究矿物的晶体结构，电子显微镜可以用来分析样品的(超)显微结构和基本的物相分析，电子探针(以及二次离子探针质谱仪SIMS)可以用来分析样品的化学元素组成，激光Raman光谱可以用来鉴定物相等，很多相关的技术都是从物理化学领域引进来的。

高温高压实验重视学科交叉，充分利用物理、化学、数学、计算机等学科的优秀成果来发展高压地球科学[12]，如实验分析仪器尤其是高压装置设备很大程度上运用了物理化学和材料学的技术，矿物晶体学分析中运用了众多物理化学和热动力学方面的知识，在对实验数据进行处理分析过程中运用各种数学分析方法，而从实验运行到数据处理都广泛运用了计算机控制和计算。现代地球科学的发展越来越重视学科的交叉综合运用，我们已经开始告别单学科独进的阶段，而高温高压实验正是传统地球科学在未来的发展方向之一。国外同行在高温高压实验方面的研究比国内领先数十年，他们在这方面积累的经验很值得借鉴。目前在世界上，高温高压实验结合同步辐射技术取得了大量的优秀成果，更多先进的技术，包括中子衍射(neutron diffraction)、布里渊散射(Brillouin scattering)、核共振散射(nuclear resonant scattering)以及三维X光衍射及成像(3-D X-ray diffraction and tomography)等，在高温高压实验中的运用，进一步推动高温高压实验向高精尖方向发展。

由于高温高压地球科学在国内起步较晚，目前还面临着较大的挑战[13-14]，结合中国地学界的实际情况，暂时将其划归到实验岩石学或许是可行的方案之一。现在地球深部高温高压实验研究已经在国内启动，活塞圆筒式装置已经在部分高校和研究机构开始运行，多面砧装置在吉林大学、北京大学以及中国地质大学(武汉)也已经进入了正常运营状态。尤其是中国地质大学(武汉)地球深部研究实验室Walker型多面砧装置已经完成24 GPa以内的压力标定，并成功进行了橄榄石→瓦兹利石→林伍德石→钙钛矿+方镁石的高压相变实验[15]以及岩石体系的相变实验[16]，这意味着中国科学家已经可以开始独立自主地开展上地幔转换带深度条件下的大体积压机静态高压实验了。

但是高温高压实验研究也受到一些因素的制约：一方面是高温高压实验技术在很大程度上依赖物理、化学、材料学的发展，在产生高温高压的过程中必须使用极高强度的(耐高温)材料来维持稳定的高温高压状态，这需要首先开发出适用的材料，然后才有可能进行相应条件的实验；另一方面则是高温高压实验的成本非常高，实验中需要使用一些贵重金属(如Re)和耐高温加热材料(如LaCrO3)，以及用来产生高压条件的超硬材料(如碳化钨、金刚石)，高温高压装置以及配套设施的建设和维护也需要一定的资金来支持。建议综合考虑科学研究目的和经济能力，选取合理的高温高压实验研究课题来开展研究工作。

高压地球科学虽然是一门相对年轻的学科分支，但同时也是正在加速发展的新兴学科。在极端高温高压条件下，原子/分子之间的间距减小，相互作用增强，物质材料原有的结构会产生转变，同时物理性质(弹性、电磁等)也随之改变，所以高温高压实验有利于新材料的发现。高温高压实验的运用范围不仅仅局限于地球科学，它在国防科学、行星科学、物理、化学、新材料等方面的运用取得了诸多成果，如超导材料、超硬材料等特殊材料的开发，主要就是利用材料在高压状态下一些特殊性质的转变。其中最引人注目的就是金刚石的人工合成，21世纪甚至被预言称为金刚石的世纪，现代高压科学技术的发展也是受金刚石商业化合成需求的刺激而迅速发展的。目前美国和日本在该领域具有国际领先水平。美国卡内基地球物理实验室的科学家利用化学气相沉积法成功合成了超10克拉的单晶金刚石。日本爱媛大学超高压实验室和住友电工合作在高温高压条件下完成石墨—金刚石的直接转化，近年来在纳米聚晶金刚石(nanopolycrystalline diamond, NPD)的研发方面取得了不断进步，高压合成的聚晶金刚石硬度甚至比天然金刚石更高，目前合成金刚石体积已经达到厘米级(图5)，可以根据需要加工成相应的金刚石产品供科学研究和工业生产运用。极端高温高压条件下物质材料的研发，被视为未来最有潜力取得重大科学突破的研究领域。

图5 日本爱媛大学超高压实验室合成的人造金刚石以及合成设备装置。左上角示人工合成的尚未加工和初步加工过的聚晶金刚石，中间示加工而成的直径为7.5 mm的聚晶金刚石真球体、锥体和立方体，左下角示加工后用作金刚石压砧研究以及多面砧高温高压实验的聚晶金刚石砧头(anvil)成品；右图示用来人工合成聚晶金刚石的BOTCHAN-6000超高压多面砧装置(图片来自爱媛大学：http://www.ehime-u.ac.jp/~grc/)

(2014年3月10日收稿)

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The “bright lamp” into the deep Earth: experiments at high pressure and high temperature

ZHOU Chun-yin①，JIN Zhen-min②
①Ph. D., ②CAS Member, Faculty of Earth Sciences, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China

The Earth is the homeland of humans for living on and development. Our knowledge of the Earth’s interior is relatively limited compared to surface layer (atmosphere, hydrosphere, and biosphere). Geological/geochemical approach interprets the properties of constituent materials in the Earth’s interior by analyzing the minerals and rocks once occurred in the deep Earth but now were brought onto the surface and meteorolites from outer space. Geophysical approach probes the structure of the Earth’s interior using seismic waves. With the improvement of high pressure and high temperature (HPHT) experimental techniques in the last more than a half century, scientists are able to create the extreme high pressure and temperature environment of the Earth’s interior. Moreover, with various modern analytical technologies, the nature and property of rocks and minerals under high pressure and high temperature conditions have extensively been in situ studied. All of these studies advanced our understanding on the composition and structure of the deep Earth. Therefore, the HPHT experiments become the “bright lamp” to detect the structure and composition of the deep Earth.

high pressure and high temperature experiment, deep Earth, geology, geophysics

(编辑：沈美芳)

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.02.001