稀有鑽石顯示地幔或含有大量水

據《科學美國人》月刊網站9月26日報道，來自博茨瓦納的一顆寶石級鑽石上有一處美麗的藍色瑕疵，這實際上是來自地球內部深處的一塊微小碎片——它表明，地幔中含有大量的水。這處瑕疵的術語是包體，看起來像魚眼——中心呈深藍色，被“白霧”包圍。但它實際上是來自地下660公里處——位於上、下地幔的邊界——的一小塊尖晶橄欖石。

這是科學家第二次在來自該區域的一塊晶體中發現這種礦物。目前據科學界所知，不存在與該樣本同類的樣本。前一個樣本在人們試圖分析其化學成分時被毀。

地幔地球化學家、加拿大艾伯塔大學的博士后研究員蘇齊特·蒂默曼並非發現這個新樣本的團隊的一員。她說：“超深鑽石極為罕見，有包體的超深鑽石更罕見。”她還說，發現具有尖晶橄欖石包體的超深鑽石更加令人難以置信。

這一發現顯示，地球的這一極深區域是濕潤的，那裡的礦物儲存着大量的水。儘管這些水以化學方式同礦物的結構綁定在一起，不會像真正的海洋那樣四處流動，但可能在地幔熔化的過程中發揮着重要作用。這繼而又會影響大規模的地質活動，比如板塊構造和火山活動。例如，水可以促進地幔上涌區域——即“地幔柱”——的發展，而“地幔柱”同火山活動有關。

這一小塊包裹在鑽石中的地幔物質是礦物物理學家顧婷婷（音）發現的。發現該物質時，她正在美國寶石學院從事研究。她的工作是研究在鑽石中發現的罕見包體。

對珠寶來說，包體是不受歡迎的，因為它們會遮住鑽石的光芒。但科學家往往對它們感興趣，因為它們將鑽石形成時所處環境的碎片保存了下來。

絕大多數鑽石形成於地表以下大約150至200公里處。但也有少數鑽石形成於地下更深處。顧及其同事9月26日在英國《自然·地球科學》月刊發表的一份研究報告中說，通常很難弄清鑽石形成時所處的深度，但這一新樣本這方面的信息倒是不難確定。尖晶橄欖石只能在極高的壓力下形成。雖然在地殼中找不到這種礦物，但它有時會出現在曾在宇宙中遭受重大損傷的隕石中。在地幔中，能形成尖晶橄欖石的壓力存在於最深達660公里的區域。另一個地球尖晶橄欖石樣本——有人2014年在一顆鑽石中發現了它——據說是在這一深度往上135公里的範圍內形成的。在這個新包體中發現的另外兩種礦物——鐵方鎂石和頑輝石——只能在地下660公里及更深處一起出現。這樣一來，研究人員就確定了這顆鑽石的形成地點。

這個深度很重要，因為它恰好是兩層地幔之間的邊界——在這裡，穿過地球內部的地震波會神秘地改變速度。尖晶橄欖石的鎖水能力比鐵方鎂石和頑輝石更好，因此當它在這一邊界處經歷變化時，它可能會釋放大量的水。或許礦物發生的變化和釋放的水導致了地震波以不同的方式穿越這個地區。

這個尖晶橄欖石包體中含有少量水，這些水與構成這種礦物的分子結合在一起，和2014年的樣本一樣。這一點很重要，因為儘管先前在實驗室做的實驗顯示地幔可以儲存大量的水，但幾乎沒有能證明這一點的直接證據。蒂默曼說，2014年發現的尖晶橄欖石是第一個線索，而這第二個樣本提供了更有說服力的證據。如果地幔過渡區里的這種礦物確實浸透了水，那麼儲存在地球深處的水很可能多過地表水。蒂默曼說：“如果只有一個樣本，可能只存在一個局部的含水區域。而現在有了第二個樣本，這就不只是一種單一現象。這可能是普遍現象。”

礦物學家奧利弗·喬納說，下一步是弄清這些水來自哪裡。喬納曾是一個團隊的成員，該團隊2018年在超深鑽石中發現了一種以高壓形式存在的水冰，但他沒有參與這項新研究。

研究人員知道，當大洋板塊被板塊構造運動推入地幔時，大洋板塊會攜帶水，但研究人員為這些水能到達多深的地方爭論不休。

還有一種可能性是，自地球形成以來，水就一直在那裡。弄清水在地球深處和表面之間循環的方式有助於解釋地球在其45億年的歷史中如何發展成這樣一個含水的行星。

喬納說，為了獲得更多信息，研究人員需要分析這個新包體中的微量元素。未來，他們還可能在鑽石中找到更多的來自地幔深處的尖晶橄欖石。顧說，那將是一個幸運的突破——這一次的發現也是。她又說：“如果有人拿着鑽石向你求婚，而你發現鑽石中有包體，別拒絕。”