极端的化学反应可以解释为什么地球的中间层含有如此多的碳。

数十亿年来，极端高温和高压可能影响了地核与地幔交界区域的钻石生产。 （图片来源：Johan Swanepoel/Alamy Stock Photo）

地球熔融金属核心和地幔之间的边界带，也就是岩石中间层，可能是一个钻石工厂。

一项新的实验室实验发现，在极端温度和压力下，铁、碳和水的组合——在核幔边界发现的所有潜在成分——可以形成钻石。如果这个过程也发生在地球深处，它可能会解释地幔的一些奇怪的怪癖，包括为什么它的碳含量比科学家预期的要多。

这些发现也可能有助于解释核幔边界深处的奇怪结构，那里的地震波显着减慢。这些被称为“超低速带”的区域与奇怪的地幔结构有关，包括非洲和太平洋下的两个巨型斑点；它们可能只有几英里宽或数百英里。没有人确切知道它们是什么。一些科学家认为它们可以追溯到 45 亿年前，是由来自非常古老的地球的材料制成的。但新的研究表明，其中一些区域的存在可能要归功于板块构造，板块构造很可能在地球形成之后很久就开始了，也许是 30 亿年前。

研究的主要作者、亚利桑那州立大学的地球科学家 Sang-Heon Shim 说：“我们正在添加一个新想法，即这些并不完全是旧结构。”

模拟地球深处

在地核与地幔相遇的地方，液态铁与坚硬的岩石摩擦。 Shim 说，这与地球表面的岩石与空气界面一样具有戏剧性的转变。在这样的转变中，尤其是在高压和高温下，可能会发生奇怪的化学反应。

更重要的是，利用地震波的反射对地幔进行成像的研究表明，地壳中的物质可能会渗透到地壳以下约 1,900 英里（3,000 公里）的地幔边界。在俯冲带，构造板块相互挤压，将海洋地壳推入地下。这个海洋地壳中的岩石将水锁在矿物质中。因此，Shim 说，核幔边界中可能存在水，并且可以在那里推动化学反应。 （关于非洲和太平洋下的一对地幔团的一个理论是，它们是由被推入地幔深处的扭曲的海洋地壳组成的，可能会携带水。）

钻石是在高温、高压的环境中形成的，就像存在于核幔边界的环境一样。 （图片来源：Sang-Heon Shim，亚利桑那州立大学）

为了验证这个想法，研究人员将核-地幔边界中可用的成分汇集在一起，并用金刚石制成的铁砧将它们压在一起，产生高达 140 吉帕斯卡的压力。 （这大约是海平面压力的 140 万倍。）研究人员还将样品加热到 6,830 华氏度（3,776 摄氏度）。

“我们监测了加热样品时发生的反应，”Shim 说。 “然后我们检测到钻石，我们检测到岩石和液态金属之间发生了意想不到的元素交换。”

生产钻石

Shim 说，在核幔边界的压力和温度下，水的行为与地球表面的行为截然不同。氢分子从氧分子中分裂出来。由于高压，氢被铁吸引，铁是构成大部分核心的金属。因此，水中的氧气留在地幔中，而氢气则与地核融合。

当这种情况发生时，氢似乎会推开核心中的其他轻元素，包括至关重要的碳。这种碳被引导出核心并进入地幔。在核幔边界存在的高压下，碳最稳定的形式是金刚石。

“这就是钻石的形成方式，”Shim 说。

这些钻石与订婚戒指上可能闪闪发光的钻石不同。大多数进入地表并最终成为某人珠宝的钻石，形成的深度只有几百公里，而不是几千公里。但是核幔钻石很可能是漂浮的，并且可能会被扫过整个地壳，在它们移动的过程中分布它们的碳。

根据恒星和其他行星中元素的比例，地幔的碳含量是研究人员预期的三到五倍。 Shim 说，在地球这一层发现的钻石可能解释了这种差异。他和他的团队计算出，即使大洋地壳中 10% 到 20% 的水进入核幔边界，它也能产生足够的钻石来解释地壳中的碳含量。

如果是这样的话，地幔中的许多低速区域可能是水驱动的融化区域，由海洋板块深入地球的搅动引发。

证明这一过程发生在地表以下数千公里处是下一个挑战。 Shim 说，有几种方法可以寻找证据。

一种是在核幔边界内寻找可能是钻石簇的结构。钻石密度大，可以快速传播地震波，因此研究人员需要在已经发现的波传播缓慢的区域旁边找到高速区。 Shim 说，亚利桑那州立大学的其他研究人员正在调查这种可能性，但这项工作尚未发表。

另一种选择是研究可能来自地幔深处的钻石。 这些钻石有时会带着微小的口袋或内含物到达表面，其中充满了只有在非常高的压力下才能形成的矿物质。

即使是著名的希望钻石也可能在地球的地幔深处形成。 Shim 说，当科学家声称发现了非常深的钻石时，这些断言往往会引起争议，部分原因是内含物非常小，几乎没有任何材料可以测量。 但他说，寻找核幔边界包裹体可能是值得的。

“如果有人能找到证据，那将是某种发现，”他说。

研究人员于 8 月 11 日在《地球物理研究快报》杂志上报告了他们的发现。