一颗形成于地幔深处的钻石含有一种在自然界中从未见过的矿物质。这一发现是罕见的进入地幔深处,可能有助于揭示关于地球深处的结构超过660公里反过来,这可以帮助地质学家更好地理解地幔是如何控制地球板块构造的。

这种矿物,硅酸钙钙钛矿,只在地底深处难以置信的高压下形成。拉斯维加斯内华达大学的矿物学家奥利弗·查纳说,新发现的样本可能形成于地表以下660至900公里之间。虽然这种矿物以前是在实验室里用20亿帕斯卡的压力(几乎是大气压力的20万倍)合成的,但当它从人工高压环境中移除后,它立即恢复到另一种形式。因此,研究人员认为不可能从地幔中回收自然产生的硅酸钙钙钛矿。“我们认为,找到它的机会很低,我们从未真正积极地寻找过它,”Tschauner说。

因此,当他和他的同事在分析一颗来自博茨瓦纳奥拉帕的钻石的缺陷时,发现了三个微小的硅酸钙钙钛矿斑点,这让人很惊讶。硅酸钙以其他形式存在,包括地壳中的硅灰石和地幔中下部的布雷石英。但这个版本有一个明显的立方晶体结构,这表明它不同于那些版本的矿物。Tschauner和他的同事们以地质学家Ho-Kwang“Dave”Mao的名字将这种新矿物命名为“davemaoite”,他进行了一些开拓性的实验,用钻石作为压力在地球表面产生类似地幔的压力。他们于周四宣布了这一发现科学

根据地壳中存在的物质,地球科学家可以对地幔的组成有一个大致的了解,因为地幔和地壳中的岩石是相互联系的:构造运动在数百万年的时间里使岩石和矿物在各层之间上下移动。然而,当它们离开高压和灼热的下地幔时,矿物就会变形和变化。钻石是唯一的直接窗口因为它们不会变形。它们至少在地表以下150公里处形成,有些起源于1000公里深处。钻石的晶体结构是由纯碳构成的,但它们在形成时常常会吸收周围环境中的微小物质。由于钻石异常坚硬,它们可以在非常高的压力下密封在这些微小的“包裹体”中——即使钻石上升到地壳并被矿工采掘。“钻石不会让任何东西进出,”位于耶路撒冷的希伯来大学(Hebrew University)研究钻石和深地幔的地质学家奥德·纳冯(Oded Navon)说,他没有参与davemaoite的鉴定工作。“这真的是一个完美的封闭盒子。”

这颗博茨瓦纳钻石中davemaoite的含量非常小,每颗钻石的三个斑点都只有5到10微米宽。Tschauner和他的同事们使用x射线来分析内含物,然后用激光在其中两个中钻孔,使材料蒸发,并将其送入一个叫做质谱仪的设备,以确定组成样品的元素。他们发现davemaoite含有惊人数量的钾;Tschauner说,这可能有助于在深地幔矿物在地球表面停留期间稳定下来。高钾水平也暗示了地壳和地幔之间存在着一个全球“传送带”,卡内基科学研究所的地球化学家英伟·菲写道这项新研究的社论科学但没有参与研究。钾元素并不主要存在于地幔深处,但它很可能在俯冲带的地壳板块中传播到那里,在俯冲带中,一个构造板块被压在另一个构造板块之下。

Tschauner说,钾的一种形式具有放射性,davemaoite还含有少量的放射性元素,如钍和铀,这些元素不容易被构成下地幔的其他矿物吸收。Tschauner说,这很重要,因为这些元素的衰变产生了地球内部大约三分之一的热量。根据靠近地球表面的矿物浓度推断,地球科学家怀疑davemaoite约占下地幔的5%到7%。但Tschauner补充说,这种矿物可能并不均匀分布。正因为如此,大量的铀和富含钍的davemaoite可能在某些地方占主导地位,这可能解释了为什么地幔的某些部分比其他部分更热。这些热点有助于推动地幔的循环,从而驱动板块构造,所以矿物浓度的微小变化可能会对地球表面产生巨大影响。这些变化也可能揭示更多关于地壳和下地幔之间的联系,也许有助于解释元素是如何在它们之间移动的。Tschauner说,这是一个刚刚成为可能的研究领域。他补充说:“对于这种类型的研究来说,让真正的来自下地幔的矿物仍然存在是一个相当新的方向。”