深入地球内部，揭开钻石形成的秘密！

　　博科园：本文为地球科学类
　　了解全球碳循环为科学家提供了有关地球可居住性的重要线索。这就是为什么与金星相比，地球有温和稳定的气候和低二氧化碳的大气层。例如，金星处于失控的温室状态，表面温度高，二氧化碳大气层厚。地球和金星的一个主要区别是地球上存在活跃的板块构造，这使得我们地球的环境在太阳系内独一无二。但是大气层、海洋和地壳只是故事的一部分。地幔占地球体积的75%，其潜在的碳储量可能超过所有其他储层总和。碳是有机生命的重要组成部分之一，被俯冲带进地球内部，在那里它极大地降低了固体地幔的熔点，在浅层地幔中形成了碳化熔体(富含碳的熔融岩石)，为地表火山提供燃料。
　　博科园-科学科普：碳酸盐岩矿物也可能被运送到地球更深处，到达下地幔，但接下来会发生什么还不确定。回答这个问题充满了挑战——地球深处的条件是极端的，来自地幔的样本是罕见的，解决方案是在实验室中使用复杂的技术重新创造这些条件。现在，布里斯托尔大学的一个实验地球科学家小组已经做到了这一点。他们的研究结果发表在《地球与行星科学快报》上，揭示了碳酸盐矿物通过海洋地壳俯冲(地球的一个构造板块从另一个板块滑落到另一个板块之下)进入地幔后会发生什么变化的新线索。他们的发现揭示了碳酸盐在1000千米以下的深度俯冲障碍，在那里，碳酸盐与海洋地壳中的二氧化硅发生反应，形成钻石。
　　金刚石砧槽边缘上的两个相对的金刚石砧，图片：University of Bristol
　　这些钻石在地质时间尺度上储存在地球深处。地球科学学院的James Drewitt博士解释说：碳酸盐矿物是否能够通过地球的下地幔保持稳定，如果不能，那么需要什么样的压力/温度变化来激发矿物与它们的反应？这些都是我们想要找到答案的问题——而得到这些答案的唯一方法就是重现地球内部情况。德威特博士和团队使用激光加热的钻石砧细胞，将人造碳酸盐岩置于与深部地球环境相当的高压和温度下，温度最高可达2000摄氏度和90 GPa(约90万大气压)。发现碳酸盐在1000 - 1300千米深处保持稳定，几乎是岩心的一半。在这些条件下，碳酸盐与周围的二氧化硅发生反应，形成一种被称为bridgmanite的矿物，它构成了地球的大部分地幔。
　　这个反应释放的碳以固体二氧化碳形式存在。当周围炽热的地幔最终加热俯冲板块时，这些固体二氧化碳分解成超深钻石。Drewitt博士补充说：最终，超深钻石可能会通过上升流的地幔羽流回到地表，这一过程可能代表了我们在地表发现的超深钻石的来源之一，它为我们提供了有关地球深层构成的唯一直接证据。这是令人兴奋的，因为人类所能钻出的最深深度约为12公里，不到地壳深度的一半。与地幔的巨大规模相比，这简直是小巫见大巫。地幔接近3000公里。研究小组使用一个钻石砧细胞来产生与在这些深度发现的压力相当的压力，在显微镜下将样品装入一个压力室，压力室是从一个金属垫片钻出来的，然后在宝石质量和切割钻石砧之间进行压缩。
　　这些样品的晶体结构随后在牛津郡的英国同步加速器工厂用x射线衍射分析。Drewitt博士现在计划将这些高压和高温实验以及先进的计算机模拟技术应用到其他矿物和材料上，除了碳之外，还有潜在几大洋价值的水被输送到地幔深处，当这些水被释放出来时，将导致地球上地幔和下地幔的融化。然而，我们无法充分测试或理解这些富含水的熔融岩石动态行为的现有模型，因为我们不知道它们的组成或物理性质。目前正在进行极端条件下的实验和先进计算机模拟将有助于解决这些问题。
　　本研究使用激光加热金刚石砧细胞(LHDAC)实验在fe - mg - sio2 - co2 (FMSC)和cao - mg - sio2 - co2 (CMSC)系统在较低的地幔压力下，旨在测试脱碳和金刚石形成反应。Sub-solidus相关系基于合成实验报告的压力范围∼35到90 GPa，1600 - 2200 K的温度。由碳酸盐和二氧化硅混合物组成的三元体组成，使脱碳反应产生非三元相(如bridgmanite, Ca-perovskite, diamond, CO2-V)，并用同步x射线衍射和微拉曼光谱识别反应产物的外观。发现碳酸盐阶段这两个系统与硅反应形成bridgmanite±Ca-perovskite +二氧化碳压力的范围∼40到70 GPa和1600到1900 K存在脱二氧化碳反应。
　　研究结果表明，脱二氧化碳反应形成一种难以逾越的障碍俯冲碳酸盐，海洋地壳在地幔深度大于∼1500公里。还鉴定了碳酸盐和CO2-V离解反应，它们形成了钻石和氧气。根据所观察到的脱碳反应，研究人员预测，大洋地壳中碳酸盐俯冲到下地幔深部的最终命运是以难熔金刚石形式沿板块地热在下地幔最深处形成，并沿地幔地热贯穿下地幔。由亚固态脱碳在海洋地壳中行成的金刚石是难处理、不流动的，可以长时间地储存在地幔底部，有可能以与地幔深部羽流有关的OIB岩浆形式返回地表。
　　博科园-科学科普｜研究/来自: 布里斯托大学
　　参考期刊文献:《地球与行星科学快报》
　　DOI: 10.1016/j.epsl.2019.01.041
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