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在钻石里,发现了前所未见的矿物

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【摘要】 地幔,是夹在地球地核与地壳之间的主要固体层。在漫长的岁月里,地球构造的运动可以使岩石和矿物在岩层之间上下移动,因此科学家们通常可以根据地壳中的物质来......

地幔,是夹在地球地核与地壳之间的主要固体层。在漫长的岁月里,地球构造的运动可以使岩石和矿物在岩层之间上下移动,因此科学家们通常可以根据地壳中的物质来了解地幔的组成。

地球结构。| 素材来源:ArtsyBeeKids / pixabay

然而当一些矿物离开地幔的高温高压环境时,就会发生改变。因此,若要想更好地了解地幔中究竟藏着什么,不会轻易发生变形的钻石,就成了探索地幔的唯一直接窗口。

现在,从一颗挖掘于地球深处的钻石中,科学家首次发现了一种从未见过的矿物——硅酸钙(CaSiO ₃)钙钛矿。这是一种只能在下地幔的高温高压环境中形成的物质,在此之前,科学家只在实验室中预测了它的存在。

而新的研究首次证明这种矿物的确存在于自然界中。研究人员将这一发现发表在了近期的《科学》杂志上,并将其命名为毛钙硅石(davemaoite),以高压实验地球物理学家毛河光(Ho-kwang Dave Mao)的名字命名。

长期以来,科学家认为硅酸钙钙钛矿是一种在地幔中储量丰富且具有重要地球化学意义的矿物。据科学家估计,大约 5% 到 7% 的下地幔是由这种矿物组成。但是,要想直接观测这种矿物是极其困难的,因为硅酸钙钙钛矿是一种稳定存在于下地幔的巨大压强之下的矿物,一旦离开高温高压环境,它便不能维持其晶体结构。

的确,曾有研究团队在实验室中用 20GPa 的压强(几乎是大气压强的 20 万倍)合成过这种矿物,并发现当它们离开高压环境时,就会立刻变成另一种形式。因此,科学家认为在自然界找到这种矿物的几率非常渺茫。直到这次,一颗来自博茨瓦纳的钻石打开了新的局面。

钻石是一种纯粹由碳原子构成的晶体,它们在形成时经常会吸收周围的微小物质。由于钻石非常坚硬,它们可以在高压下将这些物质密封其中,即使上升到地壳并被人类开采,也不会让任何东西进出。钻石就像是时间胶囊,在矿物到达地表的途中,锁定了矿物的原始形态。

新发现的这颗钻石样本可能形成于地表之下的 660 到 900 千米之间。通过分析这颗钻石样本,研究人员发现了三个微小的斑点。这颗钻石的矿物含量非常小,每三个小点的直径只有 5 到 10 微米,普通的取样技术很可能将它们遗漏。

利用 X 射线衍射、X 射线荧光成像和红外光谱等分析技术,研究人员分析了这颗钻石中的矿物的化学组成和结构,并最终确定,它们就是从未在自然界出现过的硅酸钙钙钛矿——毛钙硅石。

通过分析这种毛钙硅石的结构和化学,研究人员发现毛钙硅石虽然是一种钙硅酸盐矿物,但也承载着各种 " 妄图 " 潜入其晶体结构中的不同元素,其中包括铀、钍等放射性元素,以及一些稀土元素。这一发现揭示了地球深处的一些热源位置。在过往的一些研究中,科学家已经证明铀和钍会影响地球下地幔的产热,它们可以通过放射性衰变释放热量。

长期以来,科学家认为这些放射性元素产生了在下地幔循环的 1/3 的热量,其余 2/3 的热量则是在 45.5 亿年前地球最初形成时所遗留下来的。因此,区域性以及全球性的毛钙硅石丰度,可能影响着深部地幔的热量收支。通过识别毛钙硅石的化学组成,研究人员现在可以确定这些元素的位置

另外,这项研究的工作还发现了毛钙硅石包含三种主要的产热元素,除了铀和钍之外,研究人员还意外地发现了大量的钾离子。目前,他们只能推测这些额外的钾元素的来源。据介绍,高的钾含量意味着在地壳和地幔之间,可能存在着一条在地壳和地幔之间循环元素的全球性 " 传送带 "。

其实,过去的大多数致力于创造这种矿物的实验,所产生的都几乎是纯的硅酸钙钙钛矿。现在,这种意想不到的成分让科学家意识到,下地幔可能比想象的更加混杂,仅凭实验室研究很难预测其复杂性。

毛钙硅石的发现令人惊讶,它表明钻石可以在比之前认为的要深得多的地幔深处形成。这是对地幔深处的一次罕见一瞥,它让科学家们从此意识到,地幔或许是用于寻找更多新矿物的最佳地点。反过来,发现新的地幔矿物又能为科学家揭示更多深埋于地底深处的结构信息,从而帮助科学家更好地理解地幔是如何控制地球板块构造的。

另外,这项工作也为发现自然界中的其他稳定存在于高温高压环境下的物质带来了希望。这种对下地幔的直接采样,或将成为相关研究的一个新方向,并有望填补我们对整个地球地幔化学成分的知识空白

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