■本报记者 倪思洁

6年前，在《矿物质》杂志上，北京大学地球与空间科学学院研究员刘曦课题组发表了一项“叛逆”成果，提醒地球科学同行们“地幔矿物学模型需要被重新考量”。

他们认为，传统的地幔矿物学模型，已经无法解释地幔520公里至660公里深处地震波波速特征，并提出了一个新思路——在该地幔深处，林伍德石中的阳离子交换与反林伍德石的形成，可能是导致特征地震波波速结构的原因。

尽管刘曦团队的思路可以解释地震波波速的变化，但在地球科学领域，“反林伍德石能否稳定存在”本身就存在疑问。因此，他们的论文此前多次被拒，在《矿物质》杂志上刊发后也引发了学界讨论。

之后的6年里，刘曦团队憋了一股劲儿，想尽各种办法寻找证据。最近，在《地学前缘（英文版）》杂志上，他们发表了找到的证据。该研究的理论计算结果显示，反林伍德石可以在地幔过渡带稳定存在，而且在560公里深处，含杂质的正-反林伍德石可以发生突变。

做不了实验，怎么找证据？

证明一个理论假设的最直接办法就是做实验。可对于刘曦团队来说，做实验却是最不现实的办法。

“没有这样的实验条件。”刘曦摇了摇头。

20世纪，澳大利亚学者泰德·林伍德在解释地震波波速突然跃增时提出，高温高压下橄榄石会发生改变，并在地幔过渡带下部520公里至660公里处变为一种特殊矿物，从而影响地震波波速。人们将其称为“林伍德石”，而“反林伍德石”就是林伍德石晶体中的硅元素、镁元素位置发生变化后形成的矿物。

林伍德用林伍德石解释了地幔520公里处的地震波突变，但后来学者们发现地幔560公里处还有一处地震波的突变。而林伍德石的存在无法解释560公里的那处“突变”。

一种常见的解释认为，地幔560公里处的地震波波速变化可能与另一种矿物——毛钙硅石的出现有关。然而，这种矿物量少，且其含量是逐渐增加的，同样无法有力地解释地震波波速的“突变”问题。

与之相比，刘曦团队提出的思路能够更合理地解释“突变”，但前提是他们要证明在地幔转换带温压条件下，林伍德石可以与性质截然不同且能稳定存在的反林伍德石之间发生突变。

如果想通过实验寻找证据，刘曦团队第一步要获得林伍德石。而这几乎难如登天。

天然的林伍德石存在于地幔520公里至660公里深处。人类目前已获得的、确证来自地球深部的林伍德石，只有一小块由金刚石包裹着并由火山喷出地面的石块。合成的林伍德石同样难以获得，它只能存在于压强17万个大气压以上、温度1700摄氏度左右的极端环境中。

即便刘曦等人有能力获得林伍德石样品，他们还面临实验能力不足的困境。实验需要在高温高压的极端环境中实时完成，还需要具有极高精度的探测设备以展示林伍德石与反林伍德石的突变过程，即林伍德石内部硅元素、镁元素位置发生的变化。

起初，刘曦努力过，想用实验证明他们的假设。但当他带着团队把国内外能创造极端条件的实验室都捋过一遍，并找到一些实验室进行尝试后，他们遗憾地发现，能申请到机时的实验设备、实验条件和实验效果都不理想。

做不了实验，该怎么证明假设呢？就在刘曦一筹莫展之际，2019年夏天，假设提出后的第二年，刘曦团队迎来了一位硕博连读研究生——赵旭炜。

从低落到兴奋

赵旭炜本科毕业于北京大学，曾获得第28届中国化学奥林匹克竞赛金牌，脑子“灵光”，4年的本科学习为他打下了扎实的数理基础。看着这位皮肤白净的小伙子，刘曦想：“他有没有可能通过理论计算检验我们的想法？”

在天文学、地球科学领域，很多需要极端条件的研究都因缺乏实验条件而采用计算模拟的研究方法。赵旭炜对这种研究方法很感兴趣。

经过刘曦推荐，赵旭炜见到了中国科学院地质与地球物理研究所研究员张志刚等，并在他们的指导下很快掌握了基本方法。

接下来，等待赵旭炜的是做不完的计算。

他最早研究的是纯林伍德石中硅、镁位置变化后的结构及性质，仅结构就有20多万个。借助计算软件，赵旭炜没日没夜地“跑数据”：先从20多万个结构中，筛选出800多个能够独立存在的结构，再精确模拟，找出林伍德石在硅和镁不同有序-无序状态下的最稳定结构。

计算结果让人又欣喜又沮丧。令人欣喜的是，反林伍德石的结构不仅可以稳定存在，而且可与林伍德石“一键切换”。令人沮丧的是，纯的正-反林伍德石转变需要的温度条件远远超过了地幔过渡带的温度，也就是说，二者无法在地幔过渡带转变。

就在组会气氛陷入低谷时，刘曦突然想到了“缺陷理论”。理论上，林伍德石中应该广泛存在杂质，而作为“缺陷”的杂质可以显著改变物质的稳定性。

“有没有可能是杂质影响了正-反林伍德石转变的温度？”刘曦想。

之后，赵旭炜又构建出含杂质的300余种林伍德石初始结构模型，仔细筛选并进行后续计算。这次，计算结果显示，含杂质的正-反林伍德石的转变温度约为1600多摄氏度，接近正常地幔过渡带温度。

他们得出结论，在富硅、贫镁的条件下，含杂质的林伍德石可以在地幔过渡带与稳定的反林伍德石发生转变。

论文发表后，匿名评审认为：“由于反林伍德石与正林伍德石具有明显不同的性质，地幔过渡带反林伍德石的出现，将从根本上影响我们对地幔过渡带的理解。”

论文被接收后，作为论文第一作者的赵旭炜兴奋极了：“做真正的科研挺难的，但做出来之后真是太满足了。”

“鸡”学生不如“鸡”自己

除了满足感之外，这篇论文还让赵旭炜离毕业又近了一步。在北京大学，硕博连读的学时一般是5年。为了等这篇成果出炉，赵旭炜延期了，这篇论文也成为他在读期间发表的唯一一篇论文。

赵旭炜说，他从没有焦虑过。他对自己和导师刘曦充满信心：“刘老师的学生，没有毕不了业的。”他的师兄师姐里，有两位曾得过我国地质学最高奖——李四光地质科学奖，有多位获得北京大学优秀博士论文，还有很多学生拿到了国外高校的高额奖学金并出国深造。

作为导师的刘曦也没有担心过赵旭炜的学业。“我的团队里，每个学生都有各自擅长的方向。从我这里走出去之后，他们都能有自己继续深挖的专业领域。”刘曦说。

刘曦属于典型的“放养型”导师，希望每个学生都能点亮属于他们自己的“小宇宙”。

他不喜欢把所有学生都集中在一个研究问题或一条研究思路上。每招到一个新生，他都要详细询问学生的研究兴趣，然后结合学生的兴趣和他自己的研究兴趣、课题，为学生找到适合的课题。

他从不要求研究生们必须几点钟到实验室，平时学生情绪不好或者家里有事，跟他说一声就可以走。

他甚至不要求学生一定要跟着自己学。他鼓励学生走出去，跟别人讨论、跟不同老师学，还会把学生介绍给不同单位的老师交流、讨论、学习。

不过，“放养”学生的刘曦，给了自己更大的压力。他每天要读大量文献，绝大部分时间都“泡”在实验室里，以便时刻掌握学生们研究方向上的最新进展。有很多的研究方向，学生走了，他还在继续做。

6年前，跟他一起提出“正-反林伍德石相变可能会导致地震波不连续”设想的学生，在论文刊发后不久就毕业了，但刘曦的林伍德石课题还在继续。遇到赵旭炜后，他们取得了新突破。如今，赵旭炜也即将毕业。尽管刘曦希望赵旭炜毕业后能进一步深化这项研究，但他想，如果赵旭炜忙于其他课题，他很可能还会与另一位研究生合作，继续把这项研究做下去。

“如果说6年前我们提出的新思路是‘播下了一粒种子’，那么现在这颗种子发了芽，开了花。下一步，我们还要努力，从实验角度展示林伍德石与反林伍德石的转变，把研究结果以实物的形式展示给大家，尽管这非常难。”刘曦说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.gsf.2024.101896