超稀有钻石暗示地球地幔蕴藏着海洋般的水量

来自博茨瓦纳的一颗宝石级钻石中美丽的蓝色瑕疵实际上是地球深层内部的一小块碎片——它暗示我们星球的地幔蕴藏着海洋般的水量。

这个瑕疵，技术上称为内含物，看起来像鱼眼：深蓝色的中心被白色的雾气包围。但它实际上是一个来自地下 660 公里处，位于上地幔和下地幔边界的尖晶橄榄石矿物口袋。这只是科学家第二次在该区域的晶体块中发现这种矿物，而且该样本是目前科学界已知的唯一一个。上一个例子在试图分析其化学成分时被毁坏了。

“即使拥有一颗超深钻石也极其罕见，而拥有内含物则更加罕见，” 阿尔伯塔大学地幔地球化学家和博士后研究员 Suzette Timmerman 说，她没有参与这项新发现。她表示，发现尖晶橄榄石内含物更令人难以置信。

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这项发现表明，地球的这个极深区域是潮湿的，大量的水紧紧地锁在其中的矿物中。虽然这些水在化学上与矿物结构结合，并且不会像真正的海洋一样流动，但它可能在地幔如何融化中发挥重要作用。这反过来又会影响宏观地质，例如板块构造和火山活动。例如，水可能有助于地幔柱（被称为羽流的地幔上涌区域）的发展，这些羽流是火山的热点。

这块令人惊叹的钻石包裹的地幔是由丁婷婷发现的，她是一位矿物物理学家，现在在普渡大学工作，当时她在美国宝石学院做研究。她的工作是研究在钻石中发现的稀有内含物。内含物对于珠宝来说是不受欢迎的，因为它们会使钻石的光彩变得浑浊。但它们通常对科学家来说很有趣，因为它们捕获了钻石在数千年前形成的周围环境的碎片。

绝大多数钻石形成于地球表面以下约 150 至 200 公里处。但少数来自更深处。通常很难准确地确定有多深，但顾和她的同事周一在《自然地球科学》杂志上发表的一项研究中报告说，新的样本在这方面非常配合。尖晶橄榄石只能在极高的压力下形成。它在地球地壳中找不到，但有时会在经历过重大宇宙创伤的陨石中发现它被困住。在地球地幔中，尖晶橄榄石存在于低至 660 公里的压力下。发现的另一个陆地尖晶橄榄石样本于 2014 年在钻石中被发现，可以说是在该深度 135 公里范围内形成的。在新内含物中发现的另外两种矿物，铁方镁石和顽火辉石，只能在 660 公里及更深处同时存在，从而确定了钻石形成的地点。

这是一个重要的深度，因为它恰好是地幔层之间的边界——地震波穿过地球内部时速度会神秘地发生变化的地方。尖晶橄榄石比铁方镁石和顽火辉石更能锁住水，因此该矿物可能在该边界发生变化时释放出大量的水。矿物的变化和可能的水释放可以解释为什么地震波在该区域的传播速度不同。

尖晶橄榄石内含物含有少量与构成矿物的分子结合的水，2014 年的样本也是如此。这很重要，因为——尽管之前的实验室实验表明地幔可以储存大量的水——但几乎没有直接证据表明它实际上是这样做的。2014 年尖晶橄榄石的发现是第一个暗示，但第二个样本使故事更具说服力，蒂默曼说。如果该矿物在地幔过渡带确实很大程度上被水浸透，那么储存在地球深处的水很容易超过地球表面的水。“如果你只有一个样本，它可能只是一个局部含水区域，”她说，“而现在我们有了第二个样本，我们已经可以判断它不仅仅是一个单一的事件。它很可能是普遍存在的。”

内华达大学拉斯维加斯分校的矿物学家 Oliver Tschauner 说，下一步是弄清楚这些水来自哪里，他是一个团队的成员，该团队在 2018 年在超深钻石中发现了一种高压形式的水冰，但没有参与这项新研究。研究人员知道，当海洋板块被板块构造推入地幔时，它们会携带水，但他们争论这些水能到达多深。水也可能自地球形成以来就一直存在。了解水在地球深处和地表之间循环的方式可能有助于解释地球如何在 45 亿年的历史中发展成为如此水合的星球。

Tschauner 说，为了了解更多信息，研究人员需要分析新内含物中的微量元素。他们还可以希望将来在钻石中找到更多深地幔尖晶橄榄石。那将是一个幸运的突破——但话说回来，这次发现也是如此，顾说。“如果有人用钻石向你求婚，而你发现了一个内含物，”她补充说，“不要说不。”