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研究人員研究技術人員駐所、訪問學者博士後研究學術諮詢委員合聘、兼任及通信研究人員研究助理行政人員TIGP研究生退休研究人員地球所友
謝文斌

謝文斌 Hsieh, Wen-Pin

副研究員
研究領域:實驗高壓物理、地球物理、超快光學

研究簡介

我最近的研究主要在了解地球內部材料於極端條件下熱聲子與相變化的超快動力學行為。我們結合超快光學與高壓鑽石砧技術研究材料在高壓下的熱傳導、彈性、晶格動力學以及相變化等重要物理性質。近期成果已經為地球及行星內部熱演化及動力學等領域帶來極為重要的進展:

• 地球深部礦物
目前我們對地球內部複雜的熱化學結構與動力學等問題還是所知有限。探索地球內部礦物物理性質,包括熱傳導、聲速、分子鍵結與結構等是關鍵的第一步。我們精準量測地球下地幔主要礦物—bridgmanite及ferropericlase—的熱傳導率。發現含鐵的bridgmanite其熱導率在地幔底部僅為純鎂bridgmanite之一半,證明了鐵對於此礦物之熱傳導性質有極大影響。進一步將此重要實驗數據結合動力學模擬,發現在地幔底部的超大剪力波低速帶(large low shear-wave velocity provinces)之熱導率與地幔-地核熱流量都比過去傳統所認知的還要低許多。
我們也首次觀察到鐵電子自旋態會對ferropericlase之熱傳導有重要影響。我們發現高鐵含量的ferropericlase其熱導率會因為電子從高自旋態轉成低自旋態而大幅降低,導致在地幔底部其熱導率遠低於低鐵含量的ferropericlase。以這些重要實驗數據做基礎,我們建立了整個下地幔熱傳導率隨著地球深度而演變的關係,為深部地球熱演化及動力學等性質提供了非常重要的資訊。例如在地幔底部的超低速帶(ultra-low velocity zones)因為高溫且富含鐵,其熱導率遠低於過去所認為的數值,因此會大幅延遲其冷卻的過程。

• 水與揮發性物質混合物及地球水合作用
水是宇宙中非常重要的物質,因此研究水與揮發性物質混合物的各種性質有助於了解地球及含水衛星中相關的動力學問題。我們研究水-甲醇混合物於高壓下的熱傳導、聲速、相變以及分子鍵結並發現低含量的甲醇會改變水的相變條件且大幅減低水的熱導率與聲速,證明了在含水衛星或是超級地球(icy super-Earth)中,水與揮發性物質混合後,其熱傳導及熱對流效率都比原先所認知的還要低許多,此結果對於研究含水衛星熱演化歷史提出重要的新啟示。
另外,水循環對於地球的物理化學性質及演化有著非常重要的影響。我們測量上地幔主要礦物橄欖石的熱導率,發現當橄欖石含有大量水時,在上地幔過渡帶其熱導率僅為不含水時的一半,意謂著若海洋地殼中含大量水,則會在隱沒板塊中產生絕熱效果,使其中心溫度保持在相對低溫狀態,讓亞穩態橄欖石得以被保存至較過去所認知還要更深的過渡帶,證實地球的水循環對深部礦物與溫度分佈有重要影響,有助於解決當前關於橄欖石是否能夠在過渡帶中存在的爭議,也對橄欖石相變作爲過渡帶中引發地震的可能機制提供證據。
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