​​2020年7月12日6时38分，唐山发生5.1级地震，把人们的思绪再次拉回到1976年唐山大地震。为什么会发生地震？还会不会有更大的地震？往往是每次大地震之后公众最为关心的问题。为了探究这些问题的答案，地球物理学家们致力于探索地球内部，运用各种方法为人类揭示地球奥秘。为了帮助地球物理学家更清楚地看清地下，探索地球，我国建立了很多地震台站、地球观象台等，日夜不停地监测着各种地球物理场，北京白家疃地球科学国家野外科学观测研究站就是其中之一。

在观测之外，地球物理学家还需要开展实验研究工作，利用岩石物理实验对地震的孕育和发生过程进行微小尺度的物理模拟，为观测结果和理论模型提供佐证和约束条件，其中高温高压实验在模拟地球内部环境的研究中发挥着十分重要的作用。

高温和高压

在了解高温高压实验之前，先简单介绍一下常温常压下的岩石实验。在北京白家疃地球科学国家野外科学观测研究站举办的中小学生研学实践教育活动里，利用小型压力机对岩石小样品进行单轴压缩实验是非常受学生欢迎的一个环节，孩子们围绕着仪器，排队操作压机，仔细观察岩石压裂的过程，并踊跃提问。

如果把实验环境变成高温和高压，岩石又会怎样变化，这就是高温高压实验所研究的问题。那么怎样理解高温和高压呢？

首先聊一下高温，新冠肆虐的2020年，大家对37.3℃很敏感，稍高一点就会有所担心和恐慌。水烧开时大约是100℃，烫头发用的头发夹板大约200℃，我们做饭的燃气火焰可以达到几百度甚至上千度。基于不同高温高压实验仪器所达到的温度不同，有的与燃气火焰相近，约一千多度，有的可以达到更高的三千多度甚至六七千度。对于地球而言，离地面越深温度越高，离地面几十千米到几百千米的地幔上部大约一千多度，地核温度可达五六千度，目前实验室模拟的温度基本覆盖了地球内部温度。

聊完温度，再来感受一下压强。我们每天走在路上，对地面是有压力的，可以简单地计算一下，我们对地面的压强大约是几KPa到几十KPa的量级（读者可用自己的体重和脚面积计算下，看看有多大）。在地球内部，随着深度增加，压强逐渐增大，地下一米大约几十KPa，1千米约几十MPa, 十千米几百MPa, 35km（大陆地壳平均厚度）的地方就可以达到GPa 了。基于仪器的不同也不一样，有的可以达到几百MPa，有的可以达到几十GPa甚至几百GPa，也是覆盖了整个地球内部的压强变化范围。

研发实验仪器的Mervyn Silas Paterson教授

如果把做实验比喻成做饭，那么就像美味出自一口好锅一样，高温高压实验对仪器要求非常高，仪器的发展对于该领域的发展至关重要。这类仪器有多种，在此着重介绍研发其中一种仪器的Mervyn Paterson 教授。他一生为高温高压实验仪器的研发以及高温高压领域的发展做出了巨大贡献。

Mervyn Paterson教授本科毕业于澳大利亚阿德莱德大学（毕业的时候只有18岁！！），获剑桥大学博士学位，之后在澳大利亚国立大学任教。1990年Paterson教授退休后，投身于高温高压变形压机的研发和制造。以他名字命名的高温高压仪器（Paterson Gas-Medium High-Pressure High-Temperature Testing System，缩写为HPT），最高温度可达~1500℃，最大围压为700MPa，极大地促进了实验岩石物理的发展。该仪器诞生以来，相关学者进行了大量的实验研究，这些实验数据构成了理解岩石圈中岩石流变行为的基础。

2020年6月4日，Mervyn Paterson 教授无疾而终，享年95岁。

不同的高温高压实验操作流程不同，以基于HTP的实验为例进行说明。假如置办好了HTP仪器，还要准备好石材以及实验前后处理样品的设备才能开始实验。科学家们用各种样品做过一系列的实验，包括卡拉拉大理石、方解石、石灰岩、硬石膏、钙长石、石英、辉石、橄榄石、镍锗尖晶石、镍锗尖晶石、玄武岩、蛇纹岩等等，一些实验样品可以达到宝石级。这些矿物和岩石在地下温压条件下不断地塑造着我们的地球。就像茄子可以做成茄盒可以红烧亦可以蒜蓉一样，不同实验对样品的处理方式也不同。在高温高压的实验条件下，实验过程中可能会遇到各种问题，比如样品容器漏气，比如仪器某个位置密封环老化等等，出现问题都会导致实验停止，科学家可能要从样品制备开始重新来一遍。能顺利做成一个实验需要非常好的动手能力、知识储备、经验和一点点运气。成功做完实验并不意味着结束，还需要进一步处理样品，比如测一下样品中水含量，成分变化，晶体方向等等。高温高压实验无论是仪器还是宝石级的样品还是后处理都需要大量精细缜密的操作。正因为这样，每一个研究成果都是弥足珍贵的。

作者简介：

杨家英，博士，中国科普研究所博士后出站，现为中国地震局地球物理研究所助理研究员，在北京国家地球观象台（北京白家疃地球科学国家野外科学观测研究站）从事科普工作。

王红强，博士，中国地震局地球物理研究所副研究员，坐标北京国家地球观象台，科研工作者出身，现为专职科普人，教育部全国中小学生研学实践教育基地和北京市教委初中开放性科学实践活动资源单位项目负责人。​​​​