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• 人類對地球內部知之甚少。近年來科學家透過同步輻射技術結合高壓設備，在實驗室模擬地球內部極端環境，並觀察礦物變化，藉此探索地球深層奧祕。
• 鑽石中的包裹體如同時光膠囊，記錄地球內部的重要資訊。同步輻射Ｘ光技術能在不破壞包裹體的狀態下分析它的成分與結構，有助於研究地球深部的動力學。
• 科學家透過同步輻射技術與高壓實驗，不僅能研究地球磁場，還能模擬類木行星內部環境，發現金屬氫、超離子冰等物質對行星磁場形成的影響。

過去數十年來，人類的太空探測技術進展飛快。科學家透過太空望遠鏡觀察到數十億光年外的星系；無人探測器成功降落在火星表面；甚至還有飛行器已經突破太陽系的邊界。相較於太空探測，我們對地球內部的了解卻依然十分有限。儘管能將探測器送往宇宙深處，人類卻無法直接進入地球深層探索，這使得我們對地球內部的構造與成分仍然充滿謎團。

地球半徑約為6400 公里，科學家在過去曾從200公里深的岩石樣本中了解部分上層地函的組成，然而這些探測仍然無法令他們得知地球更深層的礦物與岩石成分。1864 年出版的經典科幻小說《地心歷險記》（Journey to the Center of the Earth）描繪了人類探索地球內部熔岩與神祕礦物的過程，但在現實中，由於地球內部極端高溫和高壓，現有材料無法承受如此嚴苛的條件，因此我們無法直接將探測器送入地球深層。即使科學家無法直接探索地球內部，但仍能利用來自地震波的資料推測出地球的層次結構，並進一步分析地球內部的物質成分。

然而，這些來自地震波的數據雖然提供了地球結構的概覽，卻無法揭示更深入的細節，例如地球內部的礦物組成和溫度等。隨著科學技術的發展，尤其是同步輻射技術的進步，地球科學家開始能在實驗室中模擬地球內部的高溫和高壓環境，並直接觀察礦物在極端條件下產生的變化，探索地球深層的奧祕。那同步輻射技術究竟如何應用於地球科學，尤其是探討極端環境的研究呢？它還能如何幫助科學家深入了解地球，以及其他行星內部的化學與物理特性？

▲ 《地心歷險記》內頁插圖，由里歐（Édouard Riou）繪製。
（Édouard Riou, public domain, Wikimedia Commons）

同步輻射與地球內部研究

能夠穿過地球的地震波，是地球科學家用來描繪地球物理狀況的關鍵資料。地震波中的P 波和S 波，以及地球深處的密度變化，可以幫助我們了解地球內部的結構。這些變化在地球的某些深度中非常劇烈，此處又被稱為「速度不連續面」（discontinuous）〔註〕，它們對地球內部的研究至關重要。

〔註〕例如在地球內部深度為410 公里和660 公里處深的界面。

那麼，科學家是如何利用地震波的數據來研究地球的礦物組成和化學成分？事實上，地震波的傳播速度與岩石的密度變化有關，而岩石的密度則反映了它的化學成分（即礦物組成），也受溫度和壓力的影響。因此，科學家只要能測量地球內部不同深度的P 波、S 波速度和密度變化，並將這些數據與地震波剖面資料比對，就能推測出地球的礦物組成和結構。如此一來，科學家便能逐步建立出地球內部岩石成分的模型。

為了實現此目標，科學家結合高壓設備和同步輻射技術，來測量礦物在高溫高壓條件下的P波、S 波和密度。大體積壓力機（large volume high pressure apparatus, LVP） 和鑽石高壓砧（diamond anvil cell, DAC）是兩種最常用的高壓設備，適用於模擬地球或其他行星深處的環境。大體積壓力機可以產生超過一百萬大氣壓（MPa）的壓力，且能將內部溫度加熱至約1500℃，因此用來測量物質在極端條件下的物理與化學性質，有助於研究地球地函和深層岩石的變化（圖一）。鑽石高壓砧則可以達到極高的壓力，模擬地球核心的極端環境。這種設備利用兩顆經過特殊切割的鑽石，使用它的尖端施加壓力，能透過同步輻射Ｘ光進行即時觀察，讓科學家可以在極端條件下觀察樣品的變化（圖二）。

在實驗中，科學家使用大體積壓力機和同步輻射技術測量礦物在高溫高壓條件下的P 波、S 波速度（VP、VS）和密度（圖三）。在測量過程中，需要記錄礦物在這些極端條件下的波傳遞時間（t）和樣品的長度（l），以及礦物的密度（D）。同步輻射Ｘ光技術則能夠即時拍攝並進行繞射測量，收集樣品的長度與體積（V）變化數據，計算出樣品在不同溫壓條件的長度及密度。加上同步收集的P 波、S 波傳遞時間（t）即可得到樣品的傳遞波速。

在這些測量數據的幫助下，科學家可以計算出礦物的P 波、S 波速度，並將這些數據與地震波剖面的資料比對，測試不同礦物的組合，看看哪些岩石的P 波、S 波速度和密度最符合地震波的數據，以此構建出初步的礦物相組成和岩石成分模型。

進一步的高壓實驗還顯示地震波中觀察到的速度不連續面的成因，與地球內部的礦物變化有關。例如橄欖石（olivine）在這些深度會轉變為更穩定的高壓結構，或者在某些條件下會分解成其他礦物。各種不同的實驗不僅幫助我們理解地球內部結構的變化，還揭示了不同深度的地球溫度。此外，科學家也可以透過鐵合金在高溫下的融化情況，推測出地函與地核交界處的溫度。這些研究有助於我們了解地球深處的動力學過程，對於板塊運動、地球內部的熱力學等議題至關重要，對行星演化的研究也具有深遠影響。

同步輻射技術在鑽石包裹體研究中的應用

鑽石中的包裹體（inclusion）〔註〕通常會降低鑽石的商業價值，但這些包裹體卻是研究地球深部環境的寶貴線索。包裹體是礦物在鑽石形成過程中被封存的，能夠保留住原始的物理和化學訊息，提供我們有關地球深層組成和動力學演化的珍貴證據。然而，這些包裹體的尺寸非常微小、大多小於一毫米（mm），再加上鑽石的硬度極高，使得傳統的分析方法難以有效研究包裹體的內部結構。……【更多內容請閱讀科學月刊第663期】

〔註〕礦物形成過程中被困在礦物內部的物質。