超稀有鑽石暗示地球地幔蘊藏著海洋般的水量

來自波札那的一顆寶石級鑽石中美麗的藍色瑕疵實際上是地球深層內部的一小塊碎片——它暗示我們星球的地幔蘊藏著海洋般的水量。

這個瑕疵，技術上稱為內含物，看起來像魚眼：深藍色的中心被白色的霧氣包圍。但它實際上是一個來自地下 660 公里處，位於上地幔和下地幔邊界的尖晶橄欖石礦物口袋。這只是科學家第二次在該區域的晶體塊中發現這種礦物，而且該樣本是目前科學界已知的唯一一個。上一個例子在試圖分析其化學成分時被毀壞了。

“即使擁有一顆超深鑽石也極其罕見，而擁有內含物則更加罕見，” 阿爾伯塔大學地幔地球化學家和博士後研究員 Suzette Timmerman 說，她沒有參與這項新發現。她表示，發現尖晶橄欖石內含物更令人難以置信。

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這項發現表明，地球的這個極深區域是潮溼的，大量的水緊緊地鎖在其中的礦物中。雖然這些水在化學上與礦物結構結合，並且不會像真正的海洋一樣流動，但它可能在地幔如何融化中發揮重要作用。這反過來又會影響宏觀地質，例如板塊構造和火山活動。例如，水可能有助於地幔柱（被稱為羽流的地幔上湧區域）的發展，這些羽流是火山的熱點。

這塊令人驚歎的鑽石包裹的地幔是由丁婷婷發現的，她是一位礦物物理學家，現在在普渡大學工作，當時她在美國寶石學院做研究。她的工作是研究在鑽石中發現的稀有內含物。內含物對於珠寶來說是不受歡迎的，因為它們會使鑽石的光彩變得渾濁。但它們通常對科學家來說很有趣，因為它們捕獲了鑽石在數千年前形成的周圍環境的碎片。

絕大多數鑽石形成於地球表面以下約 150 至 200 公里處。但少數來自更深處。通常很難準確地確定有多深，但顧和她的同事週一在《自然地球科學》雜誌上發表的一項研究中報告說，新的樣本在這方面非常配合。尖晶橄欖石只能在極高的壓力下形成。它在地球地殼中找不到，但有時會在經歷過重大宇宙創傷的隕石中發現它被困住。在地球地幔中，尖晶橄欖石存在於低至 660 公里的壓力下。發現的另一個陸地尖晶橄欖石樣本於 2014 年在鑽石中被發現，可以說是在該深度 135 公里範圍內形成的。在新內含物中發現的另外兩種礦物，鐵方鎂石和頑火輝石，只能在 660 公里及更深處同時存在，從而確定了鑽石形成的地點。

這是一個重要的深度，因為它恰好是地幔層之間的邊界——地震波穿過地球內部時速度會神秘地發生變化的地方。尖晶橄欖石比鐵方鎂石和頑火輝石更能鎖住水，因此該礦物可能在該邊界發生變化時釋放出大量的水。礦物的變化和可能的水釋放可以解釋為什麼地震波在該區域的傳播速度不同。

尖晶橄欖石內含物含有少量與構成礦物的分子結合的水，2014 年的樣本也是如此。這很重要，因為——儘管之前的實驗室實驗表明地幔可以儲存大量的水——但幾乎沒有直接證據表明它實際上是這樣做的。2014 年尖晶橄欖石的發現是第一個暗示，但第二個樣本使故事更具說服力，蒂默曼說。如果該礦物在地幔過渡帶確實很大程度上被水浸透，那麼儲存在地球深處的水很容易超過地球表面的水。“如果你只有一個樣本，它可能只是一個區域性含水區域，”她說，“而現在我們有了第二個樣本，我們已經可以判斷它不僅僅是一個單一的事件。它很可能是普遍存在的。”

內華達大學拉斯維加斯分校的礦物學家 Oliver Tschauner 說，下一步是弄清楚這些水來自哪裡，他是一個團隊的成員，該團隊在 2018 年在超深鑽石中發現了一種高壓形式的水冰，但沒有參與這項新研究。研究人員知道，當海洋板塊被板塊構造推入地幔時，它們會攜帶水，但他們爭論這些水能到達多深。水也可能自地球形成以來就一直存在。瞭解水在地球深處和地表之間迴圈的方式可能有助於解釋地球如何在 45 億年的歷史中發展成為如此水合的星球。

Tschauner 說，為了瞭解更多資訊，研究人員需要分析新內含物中的微量元素。他們還可以希望將來在鑽石中找到更多深地幔尖晶橄欖石。那將是一個幸運的突破——但話說回來，這次發現也是如此，顧說。“如果有人用鑽石向你求婚，而你發現了一個內含物，”她補充說，“不要說不。”