一顆飽經摧殘、從“地獄”之旅中倖存下來的鑽石證實了一個長期以來的理論：地球地幔蘊藏著相當於海洋的水量。
“這實際上證實了在地球深處一個非常獨特的層中，確實存在著非常非常大量的水，”首席研究作者、加拿大阿爾伯塔大學的地球化學家格雷厄姆·皮爾遜說。該研究結果於今日（3月12日）發表在《自然》雜誌上。
這顆看起來毫無價值的鑽石包裹著一塊微小的橄欖石礦物，稱為林伍德石，這是首次在地球表面上發現隕石或實驗室以外的林伍德石。林伍德石僅在極端壓力下形成，例如地幔深處約 320 英里（515 公里）處的巨大壓力。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
地幔裡有什麼？
地球的大部分體積是地幔，即地殼和地核之間的熱岩層。由於太深而無法鑽探，地幔的成分仍然是一個謎，但有兩個線索：隕石和火山噴發出的岩石塊。首先，科學家認為地球地幔的成分與稱為球粒隕石的隕石相似，球粒隕石主要由橄欖石組成。其次，火山噴發的熔岩有時會觸及地幔，帶出奇異的礦物塊，這些礦物暗示了橄欖石在地球內部所承受的強烈高溫和壓力。
近幾十年來，研究人員還在實驗室中重現了地幔環境，用雷射照射橄欖石，用巨型槍支射擊礦物，並在金剛石壓砧之間擠壓岩石，以模擬地球內部。
這些實驗室研究表明，橄欖石會變形為多種形式，這些形式與其發現的深度相對應。新的晶體形式適應了不斷增加的壓力。地震波速度的變化也支援了這種模型。地震波在地幔的某些深度會突然加速或減速。研究人員認為，這些速度帶是由橄欖石不斷變化的結構引起的。例如，在 323 到 410 英里（520 到 660 公里）深處，在兩個急劇的速度斷裂之間，橄欖石被認為會變成林伍德石。但直到現在，還沒有人直接證據表明橄欖石在該深度實際上是林伍德石。[資訊圖：地球是由什麼構成的？]
“大多數人（包括我）從未期望看到這樣的樣本。來自過渡帶和下地幔的樣本極其稀有，僅在少數不尋常的鑽石中發現，”德國拜羅伊特大學的地球化學家漢斯·開普勒在今天發表在《自然》雜誌上的一篇評論中寫道。
地球最深處的海洋
來自巴西的這顆鑽石證實了模型的正確性：橄欖石在該深度是林伍德石，該層稱為地幔過渡帶。它解決了關於地幔過渡帶中水的長期爭論。林伍德石的含水量為 1.5%，不是以液態形式存在，而是以氫氧根離子（氧分子和氫分子結合在一起）的形式存在。結果表明，在地幔過渡帶中可能存在大量的水，地幔過渡帶從 254 英里到 410 英里（410 公里到 660 公里）深處延伸。
“這轉化為非常非常大量的水，接近於世界海洋中存在的水的質量，”皮爾遜告訴《生命科學》的“我們神奇的星球”欄目。
板塊構造透過將大洋地殼板塊推入和拉入俯衝帶來回收地球地殼，在那裡它沉入地幔。這種被海洋浸透的地殼將水輸送到地幔中。許多板塊最終滯留在地幔過渡帶。“我們認為地幔過渡帶中很大一部分水來自這些板塊的就位，”皮爾遜說。“過渡帶似乎是俯衝板塊的墓地。”
開普勒指出，將深層鑽石帶到地球表面的火山噴發可能取樣了地幔中異常富水的部分，並非所有過渡帶層都可能像林伍德石所顯示的那樣潮溼。
“如果岩漿的來源是一個不尋常的地幔儲層，那麼有可能在過渡帶的其他地方，林伍德石所含的水少於皮爾遜及其同事發現的樣本，”開普勒寫道。“然而，鑑於這個樣本，貧水或缺水的過渡帶模型似乎相當不可能。”
乘坐火箭
一種稱為金伯利岩的猛烈火山噴發迅速將這顆特殊的鑽石從地幔深處帶出。“金伯利岩的噴發類似於將薄荷糖投入蘇打水瓶中，”皮爾遜說。“這是一個非常劇烈、充滿氣體的反應，它會爆炸到地球表面。”
這顆微小的綠色晶體，因其 325 英里（525 公里）的地面之旅而傷痕累累，是從巴西 Juína 的鑽石礦工那裡購買的。該礦的超深鑽石因其漫長的旅程而形狀不規則且破舊。“它們看起來真的像是從地獄走了一遭又回來了，”皮爾遜說。他說，這些鑽石通常被丟棄，因為它們沒有商業價值，但對於地球科學家來說，這些寶石提供了罕見的窺視地球內部的機會。[閃耀：令人眼花繚亂的礦物標本照片]
林伍德石的發現是偶然的，因為皮爾遜及其合著者實際上是在尋找確定鑽石年代的方法。研究人員認為，仔細的樣品製備是找到更多林伍德石的關鍵，因為加熱超深鑽石（科學家拋光晶體進行分析時會發生這種情況）會導致橄欖石改變形狀。
“我們認為其他研究人員之前可能已經發現了林伍德石，但他們製備樣品的方式導致它變回了低壓形式，”皮爾遜說。
版權所有 2014 年 生命科學，TechMediaNetwork 公司。保留所有權利。未經許可，不得釋出、廣播、改寫或重新分發此材料。