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倪怀玮地质学文稿（三集全） | 科技袁人Plus
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导读
地球自形成以来经历了约46亿年的演化过程，与之相比人类的存在显得十分渺小，但科学家们始终在不断地探索着地球和宇宙的奥秘，帮助我们更好地了解所处的世界。好奇心和求知欲是人类的本性，也是科学进步的源动力，希望大家也能始终保持对万物的好奇，科学的探索永无止境！注：风云之声内容可以通过语音播放啦！读者们可下载讯飞有声APP，听公众号，查找“风云之声”，即可在线收听~
《真·开箱：价值一百万的试验耗材库里有什么？》
《靠挖地三尺和火山喷发，地质学家搞个研究样品也太难了》https://www.bilibili.com/video/BV1mA411t7S4
《拿黄金钻石研究石头，科研才是炫富的最高境界》https://www.bilibili.com/video/BV1a5411s7PH
《地质学也做“亲子鉴定”，45亿年前月球是地球的一部分？》https://www.bilibili.com/video/BV1Bt4y117qp
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部分评论：走近自然：
张疆君：学习笔记摘录，请同学们批评指正！
1.两个男人面对面，中间放个小风扇。
2.这么年轻就是科大教授，绝对大佬。
3.熔体补水电导率飙升改进观测方法。
4.大陆漂移的原动力来自于下沉俯冲。
5.熔体、熔融、岩浆海洋，节目好热。
6.同位素指纹法识别地月原本为一体。
7.橄榄石石榴石孔雀石，浪漫地质男。
欧洲人朋友：黄金：超新星爆炸、中子星融合的产物
钻石：一块晶莹剔透、可人工合成的碳
把实验石打磨后送给女朋友，这就是科研人的浪漫吗？
预告片
倪：下面我来给大家介绍一下我们实验室的主要设备，那么最主要的设备是三台活塞圆筒压机，那么活塞圆筒压机它可以达到1800℃的温度，4万个大气压的压力，大概相当于地球内部150公里深度这样的一个条件。
那么我们给这三台压机也都起了非常响亮的名字，这台压机叫做青龙。
这台压机叫做朱雀，给人一种火的感觉，所以我们很多的和沿岩浆关的实验都是在这台压机上完成的。
那么大家看到前两个名字，自然就能够想到这一台的名字，注意这里这个是玄武，而不是八戒。
最后我再给大家展示一下我们实验室的耗材库，这里面的总的价值保守估计有一百多万。其实平时我自己都是打不开耗材库的，我们实验室只有一位老师掌握耗材库的密码。那么这里面究竟有什么东西我可以给大家展示一下，那么如果是对于温度低于一千度度的实验，我们一般会用比较便宜的黄金来作为耗材。而对于温度更高的实验，我们会用白金来作为我们的耗材，也就是作为我们成样品的胶囊。最后再给大家展示一口锅，刚才是管子是盛这个样品的，我们还有一口锅是专门在高温炉里面烧岩浆做烧岩浆用的。这个就是一口锅，它还有一个很漂亮的盖子，这口锅大概也值2万块钱，然后它也是用非常纯的铂金所制成的，就跟大家分享的就是这么多。
人物小传
我们实验岩石学家可以自己来合成矿物和岩石，但是我们还是喜欢来看这种各种的矿物和岩石样品，因为它们形态各异，有不同的美感。其中我最喜欢的样品就是这块石铁陨石的样品，大家可以看到它这个里面有的地方是透光的，就是我绿色的橄榄石的样品，不透光的是金属的样品，它是一个石和铁的混合物，石铁陨石在自然界是非常稀少的。那么它我们可以认为金属的部分就可以代表地核，然后透明的部分透光的部分就是橄榄石可以代表地幔，我们可以把这块样品就当成是一个微缩版的地球，就是一个地幔和地核的一个混合物。
正片
袁：有这样一个专业，黄金被他们当作耗材，宝石被他们当做工具，而石头、玻璃、岩浆被他们当做宝贝，这个专业叫做地质学，今天我们就很荣幸地请到了我的朋友：科大的地球和空间科学学院的倪怀玮教授。 袁：老师，欢迎您来到我们节目。 倪：谢谢袁老师，科技袁人节目的观众朋友们大家好。
袁：请问您是怎么进入地质学这个领域？ 倪：这也是一个机缘巧合，那是在1997年在我还不到16岁的时候，当时我是参加高考，在北大和科大这两个学校之间，我妈妈帮我抓阄，然后挑中了科大。我当时年龄比较小，我爷爷、我外公、我爸爸、我舅舅，最后我们一行五人浩浩荡荡的就来到了合肥，当时是9月4号、5号两天报到，我印象很清楚，我们大概5号接近傍晚才赶到。因为我的成绩考得比较好，然后又是第一志愿报了地球和空间科学，相对来说，我们学院第一志愿选择地球和空间科学的比较少，所以当时的班主任老师就以为我是不是填错志愿了，就放弃来入学了。 袁：我发现你们学院的名字特别有意思，就是地球和空间科学，地球和空间为什么连在一块？ 倪：它从研究方法到研究内容都有非常强的相关性，像我们的地球化学专业它是研究地球上的样品的成分，但是同样的一套方法，我们可以用它来研究陨石，可以来研究太阳系的形成和演化。从研究内容上来说的，因为地球它其实并不是孤立的，地球它是太阳系的一部分，包括地球的形成和我们整个太阳系的形成，它其实都是密切相关的。
地球科学它很大程度上是一门反演科学，也可以说是一门观测科学。我们所采集到的信息很多是自然界过程的一个结果，一个地球物理学家可以采集到地震波的速度，比如说地球内部的导电性这样的一些物理参数。
而我们地球化学研究是到野外，采集各种各样的矿物岩石土壤这些样品，测量本身并不是我们的目标，我们要解读一下这些参数，它所背后所代表的意义。
袁：听上去有点像侦探小说破案的感觉。 倪：我们是站在一个过程的终点，来解读过去所发生的这个事情。 袁：怪不得叫做反演。 倪：但是这种推测并不是毫无依据的，这个推测的依据就在于什么？就需要我们在实验室里面做正演的模拟。 袁：我想到有一个非常经典的实验，就是说地球上的原始生命怎么产生的，米勒实验是吧，把一些无机物放在一个高温高压又放电的环节，然后过一会它自然就自动地产生出一堆有机物出来。
倪：这个实验就证明可以无机的物质，通过一些自然界过程的发生的这种自然的变化，是可以形成有机物，然后可以进而演化出生命的。我们在实验室里面，利用我们这种各种高温高压的实验设备，我们可以很好地来模拟地球内部的状态。如果我们只有天然的岩石的样品，而没有办法通过这个实验的手段来检验的话，那么我们很多事情是说不清楚的。有了我们的高温高压实验的这样的一个研究手段之后，岩石学才真正的从一门描述性的学科，变成一门真正的科学。在这个实验室里面所拥有的最主要的设备是三台，我们叫活塞圆筒压机，那么这三台活塞圆筒压机，它能够达到的温度和压力条件分别是1800℃和4万个大气压，大概这样的一个温压条件，相当于地球内部接近150公里这样的一个深度。那么我们可以用这样的压机来模拟地球深部的状态，我们也给它起了三个非常响亮的名字，分别叫朱雀玄武和青龙。
袁：这名字真是充满中国文化的韵味，就差白虎了。你们的样品都是怎么来的？ 倪：我们的样品有天然的样品，也有我们实验的样品。样品分成两类，一类叫软石头，一类叫硬石头，软石头就是像土壤相沉积物沉积岩，它是在地表条件下形成的，然后或者我们叫做低温地球化学的人。
而我们做高温地球化学或者是实验岩石学的人，主要是研究另外的两种类型的岩石，一种叫岩浆岩，一种叫变质岩，他们是在地球内部的高温高压的条件下所形成的，我们要通过它们来作为一个载体来认识地球内部的状态和过程。天然的样品的获取，可以说主要就是两条途径，一条途径，大家最容易想到的就是往地球深部打钻，这个其实说起来容易，其实做起来是很难的。我们知道地球的半径是6300多公里，那么这么深的一个深度。 袁：我们人类现在能打的钻最深有多深？ 倪：我们在大陆上面所打的最深的钻是苏联人做的，他们打的最深的钻只有11公里，在克拉半岛上。 袁：是我听说过，打到苏联解体了也只能打这么点。 倪：大陆地壳的厚度是30公里，我们只打到了11公里，大洋地壳的平均厚度是七公里，我们现在大概也只打了一两公里。还有一个什么方法是可以取到地球内部的样品的，那么就是靠火山的喷发，因为火山它就像一个垂直的电梯一样，可以把地球内部的样品运上来。
那么像这一个样品玄武岩，这个就是从地球内部几十公里，甚至一百多公里这样的一个深度。通过火山的喷发把地球内部的样品给它带上了。
我们可以做很多的研究，但是来自于地球深部的样品还是很有限，我们说火山的喷发它很多的样品也是来自200公里以内的深度，而我们地球的半径是6000多公里，那么对于地球更深部的情况我们怎么了解？间接的方法就是要通过这种地球物理的探测，采集到地震波速度，地球内部的导电性这些物理参数之后，我们要对它作出正确的解读，配合我们的高温高压实验来进行研究。因为地震波的速度是受控于地球内部物质，它的密度和它的弹性模量，它的电导率，我们也需要在这个实验室里面按实际测量，包括岩浆包括矿物，各种类型物质的它的电导率，来和地球物理的探测资料来做匹配。
袁：能不能向我们介绍一下你们工作流程？ 倪：我们在高温高压实验里面，经常需要用黄金或者是铂来作为一个胶囊，就好像我们吃药的时候用的胶囊里面，裹着的是我们的样品，因为我们希望把我们的样品和周围的环境隔绝开来。
如果是1000℃以下的实验，我们就用黄金，因为它的熔点大概也就是1000℃左右，如果是1000℃以上的温度，我们就需要用铂金来作为我们的材料，因为它的熔点大概是1800℃。我们的纯度都是五个九甚至六个九的这样的一个黄金，价格也是市场价格的一倍。
除了用到黄金之外，我们还会用到宝石，最常用的一个宝石就是金刚石，刚才介绍了我们实验室的几个压机，它都是不透明的，可见光和X射线都是不能穿过去的，但是如果我们希望能够通过肉眼，或者是通过光谱X射线技术能够检测到我们的样品，在高温高压的条件下会发生什么变化，我们就需要一个透明的窗口，而且这样的一个材料是需要能够承受高温高压的这样的一个条件。
我手里拿着这样的一个金刚石压腔，它上下各有一颗0.2到0.3克拉的金刚石作为窗口，我们的样品就位于两个金刚石的压针之间，那么透过金刚石作为窗口，我们就可以检测我们的样品，在地球内部那样的一个条件下面，会发生什么样的变化。
所以对于我们来说，我们有时候说黄金是耗材，宝石是工具，基本上在我们实验室待过的人以后，对这些黄金珠宝这些东西他都会免疫了，兴奋不起来了。 袁：请问您结婚的时候您给您太太送钻石了么？ 倪：我其实还是送了。 袁：我听说你们有一门非常特色的课叫做宝玉石鉴赏是吧？ 倪：我们不纯粹从它的宝石属性来看，我们还希望研究它深层的一些东西。宝石它是矿物的单晶它是个的晶体，而玉石是矿物晶体的一个集合体，所以玉石看起来基本上都是不透明的，然后宝石很多都是透明的单晶。我们怎么能够透过鉴定矿物的成分，以及它里面所含有的包裹体的量，来鉴定它是一个天然的宝石还是一个人工合成的宝石？比如说我说一个宝石里面，经常有一个叫猫眼效应或者叫星光效应，这个其实无非就是因为在宝石里面它含有非常微小的，这种其他矿物的包裹体。
袁：您能不能向我们介绍一下地质科学当中一些有趣的结论？ 倪：我简单举几个例子，首先我举一个比较老的例子，这个可能也是很多人听说过一些的，就是地球的年龄，其实很早以前就有人关注过这个问题，也存在着很多的争议，最早研究这个问题是17世纪的时候有个爱尔兰的主教。 袁：他看看圣经推理出来是吧？ 倪：他根据圣经推断出来的，他推测出地球是在公元前4004年10月23号一个星期天形成的，所以你可以看到它的数据精度是非常高的，然后我们知道这个结论很不靠谱。其实在当时因为也有发现了一些古生物的化石，很多人都觉得几千年的时间太短，地球的年龄不可能这么短，然后后来就有一些物理学家和化学家，然后比如说根据一些热传导模型来做一些推算。 袁：比较有名的是英国的凯尔文勋爵。
倪：他本来的姓氏叫汤姆森，然后后来因为他的科研上的成就被封为勋爵。那么他根据热传导的模型，计算出地球的年龄是几千万年量级，这个量级听起来就比较靠谱一点 。但是由于他没有认识到地球内部其实它是存在着放射性的核素，那么这些放射性的核素它在衰变的过程中也会生热，他没有考虑到这一点，所以导致它所推测的地球的年龄也是偏轻。
其实恰恰是元素的放射性，后来成为我们同同位素地球化学的一个理论的基础，那么我们根据一些同位素它具有放射性，然后我们根据测量的母体和子体的这种相对的比例，我们就可以计算出一个比较准确的地球的年龄，是大概是45.5亿年左右。这个也是我们地球科地球化学，对地球科学做的一个非常大的贡献。
我再举一个是我们地球科学理念，最近几年确认过的一个例子，就是地球内部究竟含有多少水的问题，那么很多人可能认为岩石里面含含的水是比较少的，但是之前的实验研究就发现，矿物可以内部可以以杂质的形式容纳很多的水。
那么在2014年有加拿大的科学家从巴西的一个钻石矿里面，这个钻石它本来就很小了，结果他从钻石里面还找到了一个其他的矿物，我们叫做矿物包裹体。那么从矿物包裹体它测量发现，是这个钻石它是从地球内部400公里到660公里，这样的一个深度上来的。那么这样的一个钻石我们就管它这样的一个深度，就是我们管它叫做地幔过渡带，它上面是上地幔，下面是这个下地幔，然后这样的一个它测量出矿物包裹体里面含有1%的水，那么因为过地幔过渡带它有两三百公里的厚度，然后它是它的岩石的量总的量非常大，所以它这个里面所储存的水的总量，可就有可能超过我们地表水圈的整个的总量，或者说简单的说超过所有的海洋的水的总和。 袁：作为一个地质学的爱好者，但是不是专业人士 ，我对地质学一个非常大的兴趣，就是这个板块漂移学说。它漂移的动力到底是什么？是不是还在争论之中？
倪：对，是这样的，板块构造学说它是在上个世纪初的时候，最最早是由大陆漂移学说从演化而来的，是由德国科学家维格纳这个人，他是通过地图上非洲和南美洲海岸线的形状的契合性所提出来的，当然它还有一些其他的证据，比如说包括古生物方面的，包括后来还有一些古地磁方面的这些证据。
然后到了上世纪大概五六十年代，因为技术的进步可以对大洋对海底进行很多的探测，然后学者又提出来了海底扩张学说，也就是说在海底中间这个地方存在一个海底的火山，海底的山岭我们叫做洋中脊，大洋中间有山里，它是的大洋的一个脊背一样，从洋中脊是有海底的火山喷发，然后海底的火山喷发就形成我们刚才所说的这种玄武岩，这种玄武岩不断地形成新的大洋地壳，然后大洋地壳是向两边在做扩张运动的。但是由于地球的表面积是恒定的，那么既然这个地方有地壳在新生另外一个地方就有地壳在消亡。
我们现在通过大地测量，可以发现这个板块的确是在以每年比如说几厘米，这样的速度在做这种相对运动的，魏格纳的大陆漂移学说，所碰到的一个很大的问题，就是说大陆漂移它的动力到底是什么？这是他没有办法解释的一个事情，我的一个相关的研究也是和板块运动的机制相关的，到底哪一种是板块运动的主要的驱动力，那么这个就取决于，我们所说的岩石圈和软流圈的边界，存不存在熔体就成为一个非常关键的问题，因为它存在着熔体，它中间就有润滑，那么它就是需要靠板块自身的动力来牵引板块的运动，比如说板块的重力，如果是它没有熔体，那么地幔的对流就可以是它的板块运动的。
主张边界存在熔体的这一派的学者，他们面临到的一个困境就是说，如果是根据现在的地球物理的观测以及熔体电导率的实验数据，就可以发现大概需要超过10%的熔体，才能够达到地球物理所观测到的，岩石圈和软流动圈边界的一个非常高的电导率的值，但是在我们的高温高压设备里面想要，原位地测量这种含水的岩浆的电导率其实并不是一件很容易的事。
我也是在德国工作期间，我经过一年多的摸索，开发了一个在我们的这种活塞圆筒压机里面，可以在高温高压的条件下实时的，测量熔含有水的岩浆熔体电导率的这样的一个方法，然后我的我得到了非常精确的熔体电导率的实验数据，然后我的研究结果就发现，水对岩浆的电导率有非常大的影响，你往岩浆里面加了6%的水，它的电导率就可以提高一个数量级，就是增长了十倍以上，那么这样我们不需要百百分之十的熔体，我们只需要1%的熔体，就可以达到我们地球物理观测所探测到的，这么高的一个电导率。那么这样的一个结果也和很多其他方面的制约，包括地震波，包括热力学相平衡方面的制约都是非常吻合的，所以我的研究结果的一个暗示意义就是说，岩石圈和软流圈的边界可能是存在着少量的熔体，起到一个润滑的作用，能够促进板块的运动。 袁：那么就是说这个板块运动主要的动力，还是这个板块自己往下栽是吧？ 倪：对，我们的研究结果是更加支持这样的一个模型，但是我就是说这只是从我这个角度所切入所得到的这样的一个认识，我们还需要更多的其它方面的研究来综合的做一些检验。 袁：地质学研究对象不只是地球，也包括太阳系里边任何的其他小行星，也包括月球，对吧？实际上我最近又做了一个好多关于登月的节目，然后就发现有很多人认为这个地月同源，是吧？月球是从地球分出去，也不知道学术界现在对于这个问题怎么看？ 倪：应该说现在大家普遍接受的是这种大碰撞的，假说也就是说大概在45.5亿年之前，其实不是一个小行星撞击地球，而是一个大行星，一个大概和我们现在的火星差不多大的一个星体，撞击了原始的地球，然后撞击的角度刚刚好，就是说他只是导致了地球的新生，而不是导致了地球的毁灭，但当然它撞击的能量还是非常大的，那么撞击的能量就体现在使岩石发生融化，那么在地球和月球上都发生了非常大规模的熔融！甚至有的人把它形象的比喻叫Magma ocean，就是一个岩浆的海洋，我们现在地表是水的海洋，那个时候可能地球很大一部分，和月球的很大一部分都形成了这种岩浆的海洋。那么然后地球相于从一个非常高能量的起点出发，然后慢慢冷却，然后变成了我们现在的一个比较宜居的地球。
大碰撞假说和岩浆洋假说的，它能够解释很多这种很多现象，比如说一个现象就是在阿波罗计划采回来月球的岩石之后，我们可以测量月球样品的同位素的比值，如果是不同的样品，它具有了同样的同位素比值之后一很难说这是一种巧合，所以我们就把它形象的称为一个指纹。那么月球的样品和地球的样品，它在它的很多同位素组成都是相似的，那么这就只是什么？就只是地球和月球是同源的，然后这个同源就说明他们很可能是在同一次事件中形成的，这个就是我们刚才所说的大碰撞的这个世界，然后包括月球上面的很多的现象也都可以用岩浆洋这个来解释。比如说我们在月球上面所看到的非常古老的岩石，这种高地斜长岩，它都是在40多亿年前形成，包括月球上的岩石相对来说还是比较贫水的。这个和地球上相比，很多人也就认为是在大碰撞的过程中，然后由于月球形成了岩浆洋，然后很多的水在这次非常高温的条件下就都跑掉了，而地球上的水是后来通过小行星和彗星又送到地球上来。月球上的丢失水，就是因为在那次大碰撞过程中它的水都丢掉了。
片尾花絮
这边还有我们的一些样品制备的这样的一些设备，包括我们的金刚石锯金刚石线锯和一些打磨抛光的装置。我们是利用这些设备来处理我们实验之后的样品。我们还有同学曾经用这个设备把采集来的样品里面的橄榄石来打磨成宝石，送给女朋友，都是可以的。
背景简介：本文是【科技袁人PLUS】倪怀玮老师的连续三期的地质学的介绍。视频分别发布于2020年5月13日《靠挖地三尺和火山喷发，地质学家搞个研究样品也太难了》（https://www.bilibili.com/video/BV1a5411s7PH）；2020年5月20日《拿黄金钻石研究石头，科研才是炫富的最高境界》（https://www.bilibili.com/video/BV1Bt4y117qp）和2020年5月27日《地质学也做“亲子鉴定”，45亿年前月球是地球的一部分？》（https://www.bilibili.com/video/BV1Bt4y117qp）。 责任编辑：祝阳