稀有鑽石讓人一窺地球內部 或存在一個水世界

【2022年10月02日訊】(記者林達編譯報導)為了尋找深層地下水的證據,一個團隊分析了一顆從地表以下410英里處開採的極其稀有的鑽石。這顆寶石級鑽石是在博茨瓦納(Botswana)的Karowe礦發現的。對這種極其稀有鑽石的分析表明地幔中存在一個水環境,而且比以前設想的更深。

如果沒有水,地球就不會成為我們喜愛的家園。畢竟,地球表面的70%都覆蓋著維持生命的水。雖然地表水更容易觀察和研究,但在我們腳下卻流淌著更為神秘的深層地下水,叫做深層水循環,也叫地質水循環,是指水在地表層面和地幔層(地下第二層)之間的交匯。甚至,水合礦物質可以將海水輸送到地球深處,然後通過火山噴發或其它地震活動釋放到地表。

科學家們很難完全理解深層水循環過程,特別是因為已知最深的鑽孔(用於尋找石油或水的狹窄人造孔)只能深入至7英里半。然而,9月27日發表在《自然地球科學》雜誌上的一項新研究表明,地幔中存在一個水環境,比以前設想的更深。

研究小組觀察了過渡帶,它位於地表下約254至410英里處,位於上地幔和下地幔之間的分界線上。該區域承受著巨大的壓力——足以使礦物橄欖石(olivine,也叫peridot)改變其晶體結構。橄欖石約佔地幔的70%,因此這種變化對礦物和地幔的化學結構均具有重大意義。

「這些礦物轉變極大地阻礙了地幔中岩石的運動,」研究作者、法蘭克福歌德大學地球科學研究所的弗蘭克‧布倫克(Frank Brenker)教授在9月26日的一份媒體新聞稿中說。布倫克指出,從地幔深處升起的熱岩柱(稱為地幔柱)有時會停在過渡帶的下方。

該研究合著者顧婷婷(Tingting Gu,音譯)告訴《大眾科學》(Popular Science)雜誌,她在美國寶石學院(GIA)擔任研究員期間,該團隊對這顆鑽石的起源及其聚集的氮缺陷深感好奇。

研究小組發現:鑽石內部含有其它礦物質,這些微小的礦物質可以容納更多的水分,例如林伍德石(Ringwoodite),常見於地下過度帶。

這組作者說,與被認為支配下地幔的其它礦物質(如橋錳礦bridgmanite和鐵方鎂石ferropericlase)相比,林伍德石所含的水分要多得多。鑽石的外殼保持了礦物的完整特性,研究人員能夠破譯鑽石存在於過度帶邊界外圍附近。

研究結果表明,深層地下水可能比科學家之前認為的更深,這可能會加強我們對板塊構造和神秘的深層水循環的理解。該團隊對極其稀有的實驗室培育的鑽石(含氮量高達500ppm,在自然界中僅佔0.1%)使用「非破壞性」分析方式,包括非侵入性激光和X光透視,來查看鑽石的內部結構以揭示其物理特性,而無需將其切開。

「不出所料,我們在這顆鑽石中發現了林伍德石,而這只是第二次在鑽石中發現它,更重要的是,發現它與地球深處形成的另外兩種關鍵礦物共存,並且全都含有水分。這就證明,這顆鑽石來自地下660公里處,那裡的環境仍然潮濕,」顧婷婷(現在就職於普渡大學)告訴《大眾科學》。

早在2014年,就在過度帶的一顆鑽石中首次發現含有林伍德石。布倫克也參與了當時的研究,但由於樣本太小,無法精確地確定其化學成份。目前尚不清楚這顆鑽石是否很好地代表了下地幔的地質構成,因為該鑽石的含水量也可能來自「奇異的化學環境」。目前新研究中使用的這顆鑽石大到足以讓科學家去確定其精確的化學成分,並證實了初步的結果。◇

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