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罕见钻石揭示地球深处富含水

2014-4-18 9:21:15 作者:严 炎 刘 星

据美国生活科学网站报道,科学家日前在《自然》周刊发表了一篇文章称,他们发现了一种罕见的矿物质,该矿物质显示出我们脚下410千米~650千米深处的地幔内部存在大量的水。这种罕见的矿物质便是尖晶橄榄石。

尖晶橄榄石的由来

2008年,巴西捷那的钻石矿工发现了一种被称作“棕色钻石”的石头。后来科学家获得了这块石头,经研究发现其中含有细微尖晶橄榄石踪迹,这是地球上存在这种极为罕见岩石的第一个证据。

“一场猛烈的火山爆发导致一种来自地幔深处名为金伯利岩的特殊钻石出现在地表。这颗来自‘地狱’的畸形钻石证实了一项长久存在的理论:地球地幔的确是一片富含水的‘海洋’。”该项研究的首席作者、加拿大阿尔伯塔大学地球化学家格拉哈姆·皮尔森如是说。

这颗钻石包含一小片名为尖晶橄榄石的橄榄石矿物质,这是首次在地球表面除陨石和实验室内发现的矿物质。尖晶橄榄石只在极端压力的情况下产生,例如地幔525千米深处的压碎载荷。这种钻石一般都会被抛弃,因为没有任何商业价值,但是对于地球科学家来说,它却提供了一窥地球深处的罕见机会。

“金伯利岩的喷发类似于将曼妥思薄荷糖放入可乐里(会产生可乐喷泉的现象,可乐涌出高度可达10米)。”皮尔森说道。这种充满能量的反应一路爆炸至地球表面,并将这个被磨得“伤痕累累”的钻石从525千米的深处喷射到地球表面,最后被巴西的钻石矿工发现。

尖晶橄榄石的发现纯属意外。皮尔森和他的合作者当时其实是在寻找测定钻石年代的方法。研究人员认为小心翼翼地准备样本是发现更多尖晶橄榄石的关键,在加热位于地球深处的钻石时(这往往是科学家磨光晶体用于分析的常用手段),橄榄石出现变形。“我们认为其他研究人员可能已经发现了尖晶橄榄石,但由于他们准备样本的方式不同,从而导致尖晶橄榄石又变回低压的形式。”

地幔里有什么

地球的部分体积由地幔组成,地幔是介于地壳和地心之间的炙热岩石层,它太深无法钻孔,因此组成部分一直是个谜。目前,科学家们只有两个线索来探测地幔:陨石和火山爆发升起的岩石。科学家们认为地幔组成成分类似于球粒状陨石,其主要成分是橄榄石;火山喷发的岩浆有时候会击打地幔,从而导致古怪矿物质块的产生,这暗示着在地球深处橄榄石所要经历的高温高压。

最近几十年,研究人员在实验室再造了地幔环境,通过朝橄榄石发射激光(用巨大的枪射击矿物质),压缩钻石砧骨之间的岩石以模拟地球内部的环境。实验研究表明,橄榄石会在地球不同深度变形成不同的形式。最新的晶体形式能够忍受日益增加的压力,地震波速度的改变也支持了这一模型,地震波会在地球特定深处忽然加速或减速。研究人员认为加速区产生于橄榄石正在改变结构的一层。例如,520千米~600千米的深处,即地震波速度突变的地方,橄榄石会变成尖晶橄榄石。但是截至目前,还没有直接的证据表明在这样的深处橄榄石就是尖晶橄榄石。

“很多人,包括我自己,都没有设想过能够看到这样的样本。来自过渡区和低层地幔的样本是非常罕见的,在那里只发现了少数罕见的钻石。”德国拜罗伊特地球化学家汉斯·开普勒说。

地球最深的海洋

最新发现的钻石证实了这个模型是正确的——在这样的深度,橄榄石就是尖晶橄榄石,这一层被称为地幔过渡区。它解决了有关地幔过渡区里存在水的长久争论。尖晶橄榄石有1.5%的水,但不是以液体形式存在,而是以氢氧离子的形式存在。这项结果表明,在地幔过渡区(410千米~650千米深处)可能储存着大量的水。“它转换了大量的水,接近于全世界海洋存在的水的总量。”皮尔森说。

板块运动推动和拉动海洋地壳板进入俯冲区从而导致地壳再循环,地壳板进入俯冲区后沉入地幔,海洋地壳带着水进入地幔。“我认为地幔过渡区里很大一部分的水来自这些海洋地壳板块。”皮尔森说。“过渡区似乎是俯冲板块的坟墓。”

开普勒表示,将地球深处的钻石带至表面的火山喷发可能也抽取了罕见的富含水的地幔部分样本。同时,并不是所有的过渡区都如尖晶橄榄石所暗示的那么潮湿。“如果岩浆的来源是罕见的地幔蓄水池,那么有可能在其它过渡区里尖晶橄榄石包含的水远比皮尔森和同事发现的样本里的水要少。”开普勒说道。“然而,根据这个样本,不含水或者含水较少的过渡区模型似乎有点不切实际。”△

来自巴西捷那的钻石。其内包含富含水的尖晶橄榄石矿物。

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