倪懷瑋地質學文稿（三集全） | 科技袁人Plus_風聞
风云之声-风云之声官方账号-2020-06-06 14:16
導讀
地球自形成以來經歷了約46億年的演化過程，與之相比人類的存在顯得十分渺小，但科學家們始終在不斷地探索着地球和宇宙的奧秘，幫助我們更好地瞭解所處的世界。好奇心和求知慾是人類的本性，也是科學進步的源動力，希望大家也能始終保持對萬物的好奇，科學的探索永無止境！
視頻鏈接：
《真·開箱：價值一百萬的試驗耗材庫裏有什麼？》
《靠挖地三尺和火山噴發，地質學家搞個研究樣品也太難了》
《拿黃金鑽石研究石頭，科研才是炫富的最高境界》
《地質學也做“親子鑑定”，45億年前月球是地球的一部分？》
部分評論：
走近自然：
學習筆記摘錄，請同學們批評指正！1.兩個男人面對面，中間放個小風扇。2.這麼年輕就是科大教授，絕對大佬。3.熔體補水電導率飆升改進觀測方法。4.大陸漂移的原動力來自於下沉俯衝。5.熔體、熔融、岩漿海洋，節目好熱。6.同位素指紋法識別地月原本為一體。7.橄欖石石榴石孔雀石，浪漫地質男。
張疆君：
黃金：超新星爆炸、中子星融合的產物鑽石：一塊晶瑩剔透、可人工合成的碳
歐洲人朋友：
把實驗石打磨後送給女朋友，這就是科研人的浪漫嗎？
預告片
https://www.bilibili.com/video/BV1mA411t7S4
**倪：**下面我來給大家介紹一下我們實驗室的主要設備，那麼最主要的設備是三台活塞圓筒壓機，那麼活塞圓筒壓機它可以達到1800℃的温度，4萬個大氣壓的壓力，大概相當於地球內部150公里深度這樣的一個條件。
那麼我們給這三台壓機也都起了非常響亮的名字，這台壓機叫做青龍。
青龍活塞圓筒壓機
這台壓機叫做朱雀，給人一種火的感覺，所以我們很多的和沿岩漿關的實驗都是在這台壓機上完成的。
朱雀活塞圓筒壓機
那麼大家看到前兩個名字，自然就能夠想到這一台的名字，注意這裏這個是玄武，而不是八戒。
玄武活塞圓筒壓機
最後我再給大家展示一下我們實驗室的耗材庫，這裏面的總的價值保守估計有一百多萬。其實平時我自己都是打不開耗材庫的，我們實驗室只有一位老師掌握耗材庫的密碼。那麼這裏面究竟有什麼東西我可以給大家展示一下，那麼如果是對於温度低於一千度度的實驗，我們一般會用比較便宜的黃金來作為耗材。而對於温度更高的實驗，我們會用白金來作為我們的耗材，也就是作為我們成樣品的膠囊。最後再給大家展示一口鍋，剛才是管子是盛這個樣品的，我們還有一口鍋是專門在高温爐裏面燒岩漿做燒岩漿用的。這個就是一口鍋，它還有一個很漂亮的蓋子，這口鍋大概也值2萬塊錢，然後它也是用非常純的鉑金所製成的，就跟大家分享的就是這麼多。
人物小傳
我們實驗岩石學家可以自己來合成礦物和岩石，但是我們還是喜歡來看這種各種的礦物和岩石樣品，因為它們形態各異，有不同的美感。其中我最喜歡的樣品就是這塊石鐵隕石的樣品，大家可以看到它這個裏面有的地方是透光的，就是我綠色的橄欖石的樣品，不透光的是金屬的樣品，它是一個石和鐵的混合物，石鐵隕石在自然界是非常稀少的。那麼它我們可以認為金屬的部分就可以代表地核，然後透明的部分透光的部分就是橄欖石可以代表地幔，我們可以把這塊樣品就當成是一個微縮版的地球，就是一個地幔和地核的一個混合物。
正片
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**袁：**有這樣一個專業，黃金被他們當作耗材，寶石被他們當做工具，而石頭、玻璃、岩漿被他們當做寶貝，這個專業叫做地質學，今天我們就很榮幸地請到了我的朋友：科大的地球和空間科學學院的倪懷瑋教授。
**袁：**老師，歡迎您來到我們節目。
**倪：**謝謝袁老師，科技袁人節目的觀眾朋友們大家好。
**袁：**請問您是怎麼進入地質學這個領域？
**倪：**這也是一個機緣巧合，那是在1997年在我還不到16歲的時候，當時我是參加高考，在北大和科大這兩個學校之間，我媽媽幫我抓鬮，然後挑中了科大。我當時年齡比較小，我爺爺、我外公、我爸爸、我舅舅，最後我們一行五人浩浩蕩蕩的就來到了合肥，當時是9月4號、5號兩天報到，我印象很清楚，我們大概5號接近傍晚才趕到。因為我的成績考得比較好，然後又是第一志願報了地球和空間科學，相對來説，我們學院第一志願選擇地球和空間科學的比較少，所以當時的班主任老師就以為我是不是填錯志願了，就放棄來入學了。
**袁：**我發現你們學院的名字特別有意思，就是地球和空間科學，地球和空間為什麼連在一塊？
**倪：**它從研究方法到研究內容都有非常強的相關性，像我們的地球化學專業它是研究地球上的樣品的成分，但是同樣的一套方法，我們可以用它來研究隕石，可以來研究太陽系的形成和演化。從研究內容上來説的，因為地球它其實並不是孤立的，地球它是太陽系的一部分，包括地球的形成和我們整個太陽系的形成，它其實都是密切相關的。
地球科學它很大程度上是一門反演科學，也可以説是一門觀測科學。我們所採集到的信息很多是自然界過程的一個結果，一個地球物理學家可以採集到地震波的速度，比如説地球內部的導電性這樣的一些物理參數。
而我們地球化學研究是到野外，採集各種各樣的礦物岩石土壤這些樣品，測量本身並不是我們的目標，我們要解讀一下這些參數，它所背後所代表的意義。
**袁：**聽上去有點像偵探小説破案的感覺。
**倪：**我們是站在一個過程的終點，來解讀過去所發生的這個事情。
**袁：**怪不得叫做反演。
**倪：**但是這種推測並不是毫無依據的，這個推測的依據就在於什麼？就需要我們在實驗室裏面做正演的模擬。
**袁：**我想到有一個非常經典的實驗，就是説地球上的原始生命怎麼產生的，米勒實驗是吧，把一些無機物放在一個高温高壓又放電的環節，然後過一會它自然就自動地產生出一堆有機物出來。
米勒實驗裝置
**倪：**這個實驗就證明可以無機的物質，通過一些自然界過程的發生的這種自然的變化，是可以形成有機物，然後可以進而演化出生命的。我們在實驗室裏面，利用我們這種各種高温高壓的實驗設備，我們可以很好地來模擬地球內部的狀態。如果我們只有天然的岩石的樣品，而沒有辦法通過這個實驗的手段來檢驗的話，那麼我們很多事情是説不清楚的。有了我們的高温高壓實驗的這樣的一個研究手段之後，岩石學才真正的從一門描述性的學科，變成一門真正的科學。在這個實驗室裏面所擁有的最主要的設備是三台，我們叫活塞圓筒壓機，那麼這三台活塞圓筒壓機，它能夠達到的温度和壓力條件分別是1800℃和4萬個大氣壓，大概這樣的一個温壓條件，相當於地球內部接近150公里這樣的一個深度。那麼我們可以用這樣的壓機來模擬地球深部的狀態，我們也給它起了三個非常響亮的名字，分別叫朱雀玄武和青龍。
**袁：**這名字真是充滿中國文化的韻味，就差白虎了。你們的樣品都是怎麼來的？
**倪：**我們的樣品有天然的樣品，也有我們實驗的樣品。樣品分成兩類，一類叫軟石頭，一類叫硬石頭，軟石頭就是像土壤相沉積物沉積岩，它是在地表條件下形成的，然後或者我們叫做低温地球化學的人。
而我們做高温地球化學或者是實驗岩石學的人，主要是研究另外的兩種類型的岩石，一種叫岩漿岩，一種叫變質岩，他們是在地球內部的高温高壓的條件下所形成的，我們要通過它們來作為一個載體來認識地球內部的狀態和過程。天然的樣品的獲取，可以説主要就是兩條途徑，一條途徑，大家最容易想到的就是往地球深部打鑽，這個其實説起來容易，其實做起來是很難的。我們知道地球的半徑是6300多公里，那麼這麼深的一個深度。
**袁：**我們人類現在能打的鑽最深有多深？
**倪：**我們在大陸上面所打的最深的鑽是蘇聯人做的，他們打的最深的鑽只有11公里，在克拉半島上。
**袁：**是我聽説過，打到蘇聯解體了也只能打這麼點。
**倪：**大陸地殼的厚度是30公里，我們只打到了11公里，大洋地殼的平均厚度是七公里，我們現在大概也只打了一兩公里。還有一個什麼方法是可以取到地球內部的樣品的，那麼就是靠火山的噴發，因為火山它就像一個垂直的電梯一樣，可以把地球內部的樣品運上來。
那麼像這一個樣品玄武岩，這個就是從地球內部幾十公里，甚至一百多公里這樣的一個深度。通過火山的噴發把地球內部的樣品給它帶上了。
我們可以做很多的研究，但是來自於地球深部的樣品還是很有限，我們説火山的噴發它很多的樣品也是來自200公里以內的深度，而我們地球的半徑是6000多公里，那麼對於地球更深部的情況我們怎麼了解？間接的方法就是要通過這種地球物理的探測，採集到地震波速度，地球內部的導電性這些物理參數之後，我們要對它作出正確的解讀，配合我們的高温高壓實驗來進行研究。因為地震波的速度是受控於地球內部物質，它的密度和它的彈性模量，它的電導率，我們也需要在這個實驗室裏面按實際測量，包括岩漿包括礦物，各種類型物質的它的電導率，來和地球物理的探測資料來做匹配。
https://www.bilibili.com/video/BV1Bt4y117qp
**袁：**能不能向我們介紹一下你們工作流程？
**倪：**我們在高温高壓實驗裏面，經常需要用黃金或者是鉑來作為一個膠囊，就好像我們吃藥的時候用的膠囊裏面，裹着的是我們的樣品，因為我們希望把我們的樣品和周圍的環境隔絕開來。
如果是1000℃以下的實驗，我們就用黃金，因為它的熔點大概也就是1000℃左右，如果是1000℃以上的温度，我們就需要用鉑金來作為我們的材料，因為它的熔點大概是1800℃。我們的純度都是五個九甚至六個九的這樣的一個黃金，價格也是市場價格的一倍。
除了用到黃金之外，我們還會用到寶石，最常用的一個寶石就是金剛石，剛才介紹了我們實驗室的幾個壓機，它都是不透明的，可見光和X射線都是不能穿過去的，但是如果我們希望能夠通過肉眼，或者是通過光譜X射線技術能夠檢測到我們的樣品，在高温高壓的條件下會發生什麼變化，我們就需要一個透明的窗口，而且這樣的一個材料是需要能夠承受高温高壓的這樣的一個條件。
我手裏拿着這樣的一個金剛石壓腔，它上下各有一顆0.2到0.3克拉的金剛石作為窗口，我們的樣品就位於兩個金剛石的壓針之間，那麼透過金剛石作為窗口，我們就可以檢測我們的樣品，在地球內部那樣的一個條件下面，會發生什麼樣的變化。
所以對於我們來説，我們有時候説黃金是耗材，寶石是工具，基本上在我們實驗室待過的人以後，對這些黃金珠寶這些東西他都會免疫了，興奮不起來了。
**袁：**請問您結婚的時候您給您太太送鑽石了麼？
**倪：**我其實還是送了。
**袁：**我聽説你們有一門非常特色的課叫做寶玉石鑑賞是吧？
**倪：**我們不純粹從它的寶石屬性來看，我們還希望研究它深層的一些東西。寶石它是礦物的單晶它是個的晶體，而玉石是礦物晶體的一個集合體，所以玉石看起來基本上都是不透明的，然後寶石很多都是透明的單晶。我們怎麼能夠透過鑑定礦物的成分，以及它裏面所含有的包裹體的量，來鑑定它是一個天然的寶石還是一個人工合成的寶石？比如説我説一個寶石裏面，經常有一個叫貓眼效應或者叫星光效應，這個其實無非就是因為在寶石裏面它含有非常微小的，這種其他礦物的包裹體。
**袁：**您能不能向我們介紹一下地質科學當中一些有趣的結論？
**倪：**我簡單舉幾個例子，首先我舉一個比較老的例子，這個可能也是很多人聽説過一些的，就是地球的年齡，其實很早以前就有人關注過這個問題，也存在着很多的爭議，最早研究這個問題是17世紀的時候有個愛爾蘭的主教。
**袁：**他看看聖經推理出來是吧？
**倪：**他根據聖經推斷出來的，他推測出地球是在公元前4004年10月23號一個星期天形成的，所以你可以看到它的數據精度是非常高的，然後我們知道這個結論很不靠譜。其實在當時因為也有發現了一些古生物的化石，很多人都覺得幾千年的時間太短，地球的年齡不可能這麼短，然後後來就有一些物理學家和化學家，然後比如説根據一些熱傳導模型來做一些推算。
**袁：**比較有名的是英國的凱爾文勳爵。
**倪：**他本來的姓氏叫湯姆森，然後後來因為他的科研上的成就被封為勳爵。那麼他根據熱傳導的模型，計算出地球的年齡是幾千萬年量級，這個量級聽起來就比較靠譜一點
。但是由於他沒有認識到地球內部其實它是存在着放射性的核素，那麼這些放射性的核素它在衰變的過程中也會生熱，他沒有考慮到這一點，所以導致它所推測的地球的年齡也是偏輕。
其實恰恰是元素的放射性，後來成為我們同同位素地球化學的一個理論的基礎，那麼我們根據一些同位素它具有放射性，然後我們根據測量的母體和子體的這種相對的比例，我們就可以計算出一個比較準確的地球的年齡，是大概是45.5億年左右。這個也是我們地球科地球化學，對地球科學做的一個非常大的貢獻。
我再舉一個是我們地球科學理念，最近幾年確認過的一個例子，就是地球內部究竟含有多少水的問題，那麼很多人可能認為岩石裏面含含的水是比較少的，但是之前的實驗研究就發現，礦物可以內部可以以雜質的形式容納很多的水。
那麼在2014年有加拿大的科學家從巴西的一個鑽石礦裏面，這個鑽石它本來就很小了，結果他從鑽石裏面還找到了一個其他的礦物，我們叫做礦物包裹體。那麼從礦物包裹體它測量發現，是這個鑽石它是從地球內部400公里到660公里，這樣的一個深度上來的。那麼這樣的一個鑽石我們就管它這樣的一個深度，就是我們管它叫做地幔過渡帶，它上面是上地幔，下面是這個下地幔，然後這樣的一個它測量出礦物包裹體裏面含有1%的水，那麼因為過地幔過渡帶它有兩三百公里的厚度，然後它是它的岩石的量總的量非常大，所以它這個裏面所儲存的水的總量，可就有可能超過我們地表水圈的整個的總量，或者説簡單的説超過所有的海洋的水的總和。
**袁：**作為一個地質學的愛好者，但是不是專業人士 ，我對地質學一個非常大的興趣，就是這個板塊漂移學説。它漂移的動力到底是什麼？是不是還在爭論之中？
**倪：**對，是這樣的，板塊構造學説它是在上個世紀初的時候，最最早是由大陸漂移學説從演化而來的，是由德國科學家維格納這個人，他是通過地圖上非洲和南美洲海岸線的形狀的契合性所提出來的，當然它還有一些其他的證據，比如説包括古生物方面的，包括後來還有一些古地磁方面的這些證據。
然後到了上世紀大概五六十年代，因為技術的進步可以對大洋對海底進行很多的探測，然後學者又提出來了海底擴張學説，也就是説在海底中間這個地方存在一個海底的火山，海底的山嶺我們叫做洋中脊，大洋中間有山裏，它是的大洋的一個脊背一樣，從洋中脊是有海底的火山噴發，然後海底的火山噴發就形成我們剛才所説的這種玄武岩，這種玄武岩不斷地形成新的大洋地殼，然後大洋地殼是向兩邊在做擴張運動的。但是由於地球的表面積是恆定的，那麼既然這個地方有地殼在新生另外一個地方就有地殼在消亡。
我們現在通過大地測量，可以發現這個板塊的確是在以每年比如説幾釐米，這樣的速度在做這種相對運動的，魏格納的大陸漂移學説，所碰到的一個很大的問題，就是説大陸漂移它的動力到底是什麼？這是他沒有辦法解釋的一個事情，我的一個相關的研究也是和板塊運動的機制相關的，到底哪一種是板塊運動的主要的驅動力，那麼這個就取決於，我們所説的岩石圈和軟流圈的邊界，存不存在熔體就成為一個非常關鍵的問題，因為它存在着熔體，它中間就有潤滑，那麼它就是需要靠板塊自身的動力來牽引板塊的運動，比如説板塊的重力，如果是它沒有熔體，那麼地幔的對流就可以是它的板塊運動的。
主張邊界存在熔體的這一派的學者，他們面臨到的一個困境就是説，如果是根據現在的地球物理的觀測以及熔體電導率的實驗數據，就可以發現大概需要超過10%的熔體，才能夠達到地球物理所觀測到的，岩石圈和軟流動圈邊界的一個非常高的電導率的值，但是在我們的高温高壓設備裏面想要，原位地測量這種含水的岩漿的電導率其實並不是一件很容易的事。
我也是在德國工作期間，我經過一年多的摸索，開發了一個在我們的這種活塞圓筒壓機裏面，可以在高温高壓的條件下實時的，測量熔含有水的岩漿熔體電導率的這樣的一個方法，然後我的我得到了非常精確的熔體電導率的實驗數據，然後我的研究結果就發現，水對岩漿的電導率有非常大的影響，你往岩漿裏面加了6%的水，它的電導率就可以提高一個數量級，就是增長了十倍以上，那麼這樣我們不需要百百分之十的熔體，我們只需要1%的熔體，就可以達到我們地球物理觀測所探測到的，這麼高的一個電導率。那麼這樣的一個結果也和很多其他方面的制約，包括地震波，包括熱力學相平衡方面的制約都是非常吻合的，所以我的研究結果的一個暗示意義就是説，岩石圈和軟流圈的邊界可能是存在着少量的熔體，起到一個潤滑的作用，能夠促進板塊的運動。
**袁：**那麼就是説這個板塊運動主要的動力，還是這個板塊自己往下栽是吧？
**倪：**對，我們的研究結果是更加支持這樣的一個模型，但是我就是説這只是從我這個角度所切入所得到的這樣的一個認識，我們還需要更多的其它方面的研究來綜合的做一些檢驗。
**袁：**地質學研究對象不只是地球，也包括太陽系裏邊任何的其他小行星，也包括月球，對吧？實際上我最近又做了一個好多關於登月的節目，然後就發現有很多人認為這個地月同源，是吧？月球是從地球分出去，也不知道學術界現在對於這個問題怎麼看？
**倪：**應該説現在大家普遍接受的是這種大碰撞的，假説也就是説大概在45.5億年之前，其實不是一個小行星撞擊地球，而是一個大行星，一個大概和我們現在的火星差不多大的一個星體，撞擊了原始的地球，然後撞擊的角度剛剛好，就是説他只是導致了地球的新生，而不是導致了地球的毀滅，但當然它撞擊的能量還是非常大的，那麼撞擊的能量就體現在使岩石發生融化，那麼在地球和月球上都發生了非常大規模的熔融！甚至有的人把它形象的比喻叫Magma
ocean，就是一個岩漿的海洋，我們現在地表是水的海洋，那個時候可能地球很大一部分，和月球的很大一部分都形成了這種岩漿的海洋。那麼然後地球相於從一個非常高能量的起點出發，然後慢慢冷卻，然後變成了我們現在的一個比較宜居的地球。
大碰撞假説和岩漿洋假説的，它能夠解釋很多這種很多現象，比如説一個現象就是在阿波羅計劃採回來月球的岩石之後，我們可以測量月球樣品的同位素的比值，如果是不同的樣品，它具有了同樣的同位素比值之後一很難説這是一種巧合，所以我們就把它形象的稱為一個指紋。那麼月球的樣品和地球的樣品，它在它的很多同位素組成都是相似的，那麼這就只是什麼？就只是地球和月球是同源的，然後這個同源就説明他們很可能是在同一次事件中形成的，這個就是我們剛才所説的大碰撞的這個世界，然後包括月球上面的很多的現象也都可以用岩漿洋這個來解釋。
比如説我們在月球上面所看到的非常古老的岩石，這種高地斜長巖，它都是在40多億年前形成，包括月球上的岩石相對來説還是比較貧水的。這個和地球上相比，很多人也就認為是在大碰撞的過程中，然後由於月球形成了岩漿洋，然後很多的水在這次非常高温的條件下就都跑掉了，而地球上的水是後來通過小行星和彗星又送到地球上來。月球上的丟失水，就是因為在那次大碰撞過程中它的水都丟掉了。
片尾花絮
這邊還有我們的一些樣品製備的這樣的一些設備，包括我們的金剛石鋸金剛石線鋸和一些打磨拋光的裝置。我們是利用這些設備來處理我們實驗之後的樣品。我們還有同學曾經用這個設備把採集來的樣品裏面的橄欖石來打磨成寶石，送給女朋友，都是可以的。
