在地球表面，鋼鐵因水和空氣而生鏽。但在地球內部的深處呢？地球上最大的碳儲存是地心，其中90%的碳被埋在那裡。科學家們已經證明，停留在構造板塊頂部並落入內部的海洋地殼含有水合礦物，偶爾可以到達地核和地幔的邊界。
在地核-地幔邊界，溫度至少是熔岩的兩倍，並且高到足以讓水從水合礦物中逸出。因此，在地球的核心-地幔邊界附近可能會發生與鋼鐵生鏽相當的化學反應。
亞利桑那州立大學剛畢業的博士生Byeongkwan Ko和他的同事最近在《Geophysical Research Letters》上發表了他們關於地核-地幔邊界的發現。他們在阿貢國家實驗室的高級光子源進行了實驗。在實驗過程中，他們將水和一種鐵碳合金壓縮並加熱到與地核-地幔邊界類似的條件，並熔化了鐵碳合金。
科學家們發現，水和金屬反應會形成鐵氧化物和鐵氫氧化物，就像在地球表面生鏽一樣。然而他們觀察到，在地核-地幔邊界條件下，碳從液體鐵-金屬合金中分離出來並形成鑽石。
來自亞利桑那州立大學地球和空間探索學院的Dan Shim教授說道：“3000公里深度的硅酸鹽地幔和金屬核心之間的邊界其溫度達到約7000華氏度，這足以讓大多數礦物失去捕獲在其原子級結構中的H2O。事實上，這個溫度高到足以讓一些礦物在這樣的條件下融化。”
由於碳是一種喜歡鐵的元素，大量的碳預計會存在於核心，而地幔被認為具有相對較低的碳。然而科學家發現，地幔中存在的碳比預期的要多得多。
Shim說道：“在地球核心-地幔邊界的預期壓力下，氫與鐵金屬液體的合金化似乎減少了其他輕元素在核心中的溶解度。因此，可能存在於地核中的碳的溶解度，在氫從地幔進入地核的地方（通過脫水）會局部減少。在地球核心-地幔邊界的壓力-溫度條件下，碳的穩定形式是鑽石。因此，從液態外核中逸出的碳在進入地幔時將成為鑽石。”
“碳是生命的一個基本元素，在許多地質過程中發揮着重要作用，”Ko說道，“從地核到地幔的碳轉移機制的新發現將闡明對地球內部深處的碳循環的理解。考慮到自從地球上的俯衝開始以來，地核-地幔邊界的鑽石形成可能已經持續了數十億年，而這就更加令人激動了。”
Ko的新研究表明，通過這種鑽石形成過程從地核滲漏到地幔的碳可能提供足夠的碳來解釋地幔中碳量的升高。Ko和他的合作者還預測，富含鑽石的結構可能存在於地核-地幔邊界，地震研究可能會探測到這些結構，因為地震波的傳播速度對這些結構來說應該異常快。
“地震波應該在地核-地幔邊界的富含鑽石的結構中傳播得特別快，原因是鑽石在地核-地幔邊界是極其不可壓縮的，且密度小於其他材料，”Shim說道。
據了解，Ko和研究小組將繼續研究該反應如何也能改變地核中其他輕元素如硅、硫和氧的濃度以及這種變化如何能影響深地幔的礦物學。