研究人员在地球深处发现一个“钻石工厂”

在地核-地幔边界，温度至少是熔岩的两倍，并且高到足以让水从水合矿物中逸出。因此，在地球的核心-地幔边界附近可能会发生与钢铁生锈相当的化学反应。亚利桑那州立大学刚毕业的博士生Byeongkwan Ko和他的同事最近在《Geophysical Research Letters》上发表了他们关于地核-地幔边界的发现。他们在阿贡国家实验室的高级光子源进行了实验。在实验过程中，他们将水和一种铁碳合金压缩并加热到与地核-地幔边界类似的条件，并熔化了铁碳合金。

科学家们发现，水和金属反应会形成铁氧化物和铁氢氧化物，就像在地球表面生锈一样。然而他们观察到，在地核-地幔边界条件下，碳从液体铁-金属合金中分离出来并形成钻石。

来自亚利桑那州立大学地球和空间探索学院的Dan Shim教授说道：“3000公里深度的硅酸盐地幔和金属核心之间的边界其温度达到约7000华氏度，这足以让大多数矿物失去捕获在其原子级结构中的H2O。事实上，这个温度高到足以让一些矿物在这样的条件下融化。”

由于碳是一种喜欢铁的元素，大量的碳预计会存在于核心，而地幔被认为具有相对较低的碳。然而科学家发现，地幔中存在的碳比预期的要多得多。

Shim说道：“在地球核心-地幔边界的预期压力下，氢与铁金属液体的合金化似乎减少了其他轻元素在核心中的溶解度。因此，可能存在于地核中的碳的溶解度，在氢从地幔进入地核的地方（通过脱水）会局部减少。在地球核心-地幔边界的压力-温度条件下，碳的稳定形式是钻石。因此，从液态外核中逸出的碳在进入地幔时将成为钻石。”

“碳是生命的一个基本元素，在许多地质过程中发挥着重要作用，”Ko说道，“从地核到地幔的碳转移机制的新发现将阐明对地球内部深处的碳循环的理解。考虑到自从地球上的俯冲开始以来，地核-地幔边界的钻石形成可能已经持续了数十亿年，而这就更加令人激动了。”

Ko的新研究表明，通过这种钻石形成过程从地核渗漏到地幔的碳可能提供足够的碳来解释地幔中碳量的升高。Ko和他的合作者还预测，富含钻石的结构可能存在于地核-地幔边界，地震研究可能会探测到这些结构，因为地震波的传播速度对这些结构来说应该异常快。

“地震波应该在地核-地幔边界的富含钻石的结构中传播得特别快，原因是钻石在地核-地幔边界是极其不可压缩的，且密度小于其他材料，”Shim说道。

据了解，Ko和研究小组将继续研究该反应如何也能改变地核中其他轻元素如硅、硫和氧的浓度以及这种变化如何能影响深地幔的矿物学。