The Innovation | 超深金刚石揭秘地幔深部的水碳循环
导
读
“钻石恒久远，一颗永流传”。钻石的原石——金刚石，是地球内部碳的主要存在形式之一，可形成于俯冲带、岩石圈和深部地幔等多种环境。研究人员通过分析超深金刚石内部的包裹体，发现了包括含水林伍德石和“冰七”在内的多种矿物，揭示了地幔深部水的存在，但“超深金刚石”的形成环境尚不清楚。本研究结合多种分析技术和第一性原理计算揭示出“超深金刚石”的形成温压条件，为地球深部水碳循环提供新的观测视角。
图1 图文摘要
金刚石（diamond），俗称“金刚钻”， 它是钻石的原身，也是自然界中最坚硬的物质，经常被用于制作各种切割、研磨工具。由于其导热及光学性质，它也被广泛应用于航空、航天及军事行业。
天然金刚石是在地球深部高温高压条件下形成的一种由碳元素组成的矿物，与石墨同属于碳的单质。地球内部可大致分为地壳（几千米到几十千米，平均约17千米）、上地幔（~35—410千米）、地幔过渡带（~410—660千米）、下地幔（~660—2890千米）和地核（~2890—6371千米）。大部分金刚石被发现于岩石圈（地壳+上地幔顶部），但有些金刚石形成于地幔深部，被称为“超深金刚石”。
在固体地球科学中，地球的物质组成是最关键的问题之一，是我们解析地球内部结构和运行机制的基石。“超深金刚石”是来自地球深部最重要的“信使”，能给我们带来地球深部的直接观测。例如，2014年Graham Pearson和合作者在一颗来自巴西的“超深金刚石”中发现了含水林伍德石（ringwoodite），含水量超过1 wt%。林伍德石是地幔过渡带矿物，高温高压实验发现其可以以羟基(OH-)的形式含有一定量的水，含水林伍德石的发现不仅证实了高温高压实验结果，也意味着地幔过渡带至少是局部含水的，对地球内部水循环意义重大。更有趣的是，2018年，Oliver Tschauner和合作者在“超深金刚石”中发现了“冰七（ice-VII)”，意味着地球深部（过渡带附近）有自由水(H2O)存在。
但是，这些“超深金刚石”在地球深部的形成环境、以及形成环境中的碳和水的来源尚不清楚。
图2 金刚石包裹体的温压路径
我们通过多种微区分析技术分析了“超深金刚石”内部残余压力和包裹体的矿物组成及成分，发现了“冰七”、铁镍合金和钛铁矿等矿物。结合第一性原理计算和文献数据，我们得到了这些矿物及其高压相或流体/熔体的热力学状态方程，并提出一种新方法来估计每一种包裹体经历的温压路径（图2）。这一方法考虑了多种影响因素，包括相变、金刚石的弹性形变和粘弹性修正。如果包裹体在地球内部同一深度随着金刚石生长被包裹进金刚石，那么这些共生包裹体的温压路径应该相交于同一温压点（图2），由此可确定“超深金刚石”形成的温压条件（图3）。
图3 超深金刚石内部包裹体被捕获的温压条件
研究发现，含“冰七”的“超深金刚石”形成的深度可至地球内部800公里，形成的温度比正常的地幔温度低200—500度，低于含水橄榄岩、但高于含水含碳酸盐橄榄岩的固相线（图3）。这意味着，我们所研究的“超深金刚石”形成于地幔深部温度相对较低的区域，和冷的俯冲板块一致。同时，形成含“冰七”的“超深金刚石”的区域需要富碳富水，而水的来源很可能是俯冲板块含水矿物脱水，这表明地球内部的碳和水可耦合循环至下地幔顶部。
总
结
和
展
望
本研究结合微区分析技术和第一性原理计算，建立一种新方法来估计金刚石形成的温压条件。我们发现含“冰七”的“超深金刚石”可形成于地幔深部（深度可至800公里）相对低温的富碳富水区域，表明地球内部的碳和水可耦合循环至下地幔顶部。未来这种方法可被用于研究更多金刚石的形成温压条件，来揭秘地球内部物质（特别是挥发性组分）的循环和演化以及理解地球内部的结构和运行机制。
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00042-4
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第二期以Report发表的“Coupled deep mantle carbon-water cycle: Evidence from lower-mantle diamonds” (投稿: 2020-12-01；接收: 2021-03-23；在线刊出: 2021-05-04)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100117
引用格式：Wang W., Tschauner O., Huang S., et al. (2021). Coupled deep mantle carbon-water cycle: Evidence from lower-mantle diamonds. The Innovation. 2(2),100117.
作者简介
王文忠，2019博士毕业于中国科学技术大学，现为英国伦敦大学学院和美国卡耐基联合博士后，主要研究领域是利用第一性原理计算关键热力学参数，包括弹性、平衡同位素分馏系数、配分系数等，并以此研究地球内部的物质异常、水循环和早期行星过程。
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The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。往期作者（Volume 1 Issue 1 -- Volume 2 Issue 1）来自全球24个国家；每期1/3-1/4通讯作者来自海外。目前有183位编委会成员，来自21个国家；51%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，26位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus等数据库收录。
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