科學證實：更深層地函能像液體般流動，D" 層後鈣鈦礦成形塑地質活動關鍵

近期科學家在最近一項研究中已證實地函（mantle），特別是位於地表下約 1,700 英里以下的「D" 層」，會呈現現固態流動。這一突破性發現挑戰了過去對地球組成與行為的假設。目前這項研究成果已發表在《通訊-地球與環境》（Communications Earth & Environment）上。

蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）村上元彥（Motohiko Murakami）及其團隊進行了突破性的實驗，模擬了下地函的極端環境。他們的研究成果為神祕的地震波異常提供了解釋，並為理解地球地質作用（geological process）開啟了新的方向。透過結合電腦模型與高壓實驗室實驗，村上團隊得以證明 D" 層中的後鈣鈦礦（post-perovskite）礦物在地質時間尺度上排列並像液體般地流動，此一發現，對於理解地球內部動態至關重要。

解開地震波突然加速之謎，實驗重現地函 D" 層的環境條件

地球地函中的 D" 層長久以來一直令科學家著迷，因為它具備了令研究人員多年來備感困惑的奇特現象：能讓地震波（seismic wave）速度突然加快。直到村上團隊展開突破性實驗之前，這一地震異常的原因仍未被揭開。

村上團隊透過使用鑽石高壓砧（diamond anvil cell）與 X 光繞射技術的實驗發現，D" 層的岩石雖然保持固態，卻以類似液體流動的方式移動。研究人員對鍺酸鎂晶體（magnesium germanate crystal）施加極高壓與高溫，成功重現地函 D" 層的環境條件。他們發現，這些稱為「後鈣鈦礦」（post-perovskite）的礦物會以特定方式排列，使其能夠隨時間緩慢變形並「流動」。這種行為解釋了觀測到的地震波速提升，並為地函的神祕特性提供了新的見解。

該團隊發現後鈣鈦礦是 D" 層的關鍵礦物，對地函動態的研究而言是一大飛躍性的成就。科學家首度在2004 年發現更深層地函中的鈣鈦礦，在極端壓力下會轉變為後鈣鈦礦的現象。然而直到村上團隊的實驗，科學家才完全理解這種礦物結構的深遠意義。

村上團隊在實驗中重現了深部地函的高壓高溫環境，親眼觀察到後鈣鈦礦晶體以特定方式排列的過程，它在某一方向上會變得極為堅硬，使地震波能以更快速度穿過該物質。此項洞察對理解熱量、能量與物質在地球內部的流動具有重大意義。它同時解釋了驅動板塊運動之深部地函流是如何運作的，以及它們如何影響從地震到火山噴發等地表地質活動。

後鈣鈦礦排列既能讓地震波加速 7%，亦對地磁發電機造成影響

這項發現最令人振奮的意涵之一，是它有助於解釋地震波的行為，而地震波對於理解地球內部結構至關重要。新的研究結果顯示，後鈣鈦礦的排列能使地震波加速高達 7%。這與全球地震學家記錄到的地震波速變化相符，進一步證實了地函的動態特性。該發現也揭示了地函流動如何在推動構造板塊運動的對流中發揮關鍵作用。

隨著這些對流持續重塑地球表面，後鈣鈦礦礦物的排列可能影響隱沒帶（subduction zone）、火山熱點，甚至山脈形成的位置與強度。該研究透過更精確地描繪地震波在地函中的傳播方式，對於預測與理解地震、火山爆發能力的提升有很大幫助。

更令人驚訝的地方，莫過於該研究與地球磁場之間關聯性的揭露。D" 層中固體岩石的運動，可能對生成地球磁場的地磁發電機（geodynamo）產生深遠影響。再加上近期的模型顯示，後鈣鈦礦的排列可能引導地函熱柱（mantle plume）上升，將熱量從下地函輸送至上地函與地殼。這些熱柱在與地球表面互動時，可能形成火山熱點。深部地函的固態流動也可能是過去 2 億年間某些地球磁場變化的成因之一。