在地球表面，鋼鐵因水和空氣而生銹。但在地球內(nèi)部的深處呢？地球上最大的碳儲(chǔ)存是地心，其中90%的碳被埋在那里?？茖W(xué)家們已經(jīng)證明，停留在構(gòu)造板塊頂部并落入內(nèi)部的海洋地殼含有水合礦物，偶爾可以到達(dá)地核和地幔的邊界。

       在地核-地幔邊界，溫度至少是熔巖的兩倍，并且高到足以讓水從水合礦物中逸出。因此，在地球的核心-地幔邊界附近可能會(huì)發(fā)生與鋼鐵生銹相當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)。

       亞利桑那州立大學(xué)剛畢業(yè)的博士生Byeongkwan Ko和他的同事最近在《Geophysical Research Letters》上發(fā)表了他們關(guān)于地核-地幔邊界的發(fā)現(xiàn)。他們?cè)诎⒇晣?guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光子源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，他們將水和一種鐵碳合金壓縮并加熱到與地核-地幔邊界類似的條件，并熔化了鐵碳合金。

       科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，水和金屬反應(yīng)會(huì)形成鐵氧化物和鐵氫氧化物，就像在地球表面生銹一樣。然而他們觀察到，在地核-地幔邊界條件下，碳從液體鐵-金屬合金中分離出來并形成鉆石。

       來自亞利桑那州立大學(xué)地球和空間探索學(xué)院的Dan Shim教授說道：“3000公里深度的硅酸鹽地幔和金屬核心之間的邊界其溫度達(dá)到約7000華氏度，這足以讓大多數(shù)礦物失去捕獲在其原子級(jí)結(jié)構(gòu)中的H2O。事實(shí)上，這個(gè)溫度高到足以讓一些礦物在這樣的條件下融化。”

       由于碳是一種喜歡鐵的元素，大量的碳預(yù)計(jì)會(huì)存在于核心，而地幔被認(rèn)為具有相對(duì)較低的碳。然而科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，地幔中存在的碳比預(yù)期的要多得多。

       Shim說道：“在地球核心-地幔邊界的預(yù)期壓力下，氫與鐵金屬液體的合金化似乎減少了其他輕元素在核心中的溶解度。因此，可能存在于地核中的碳的溶解度，在氫從地幔進(jìn)入地核的地方（通過脫水）會(huì)局部減少。在地球核心-地幔邊界的壓力-溫度條件下，碳的穩(wěn)定形式是鉆石。因此，從液態(tài)外核中逸出的碳在進(jìn)入地幔時(shí)將成為鉆石?！?/p>

       “碳是生命的一個(gè)基本元素，在許多地質(zhì)過程中發(fā)揮著重要作用，”Ko說道，“從地核到地幔的碳轉(zhuǎn)移機(jī)制的新發(fā)現(xiàn)將闡明對(duì)地球內(nèi)部深處的碳循環(huán)的理解?？紤]到自從地球上的俯沖開始以來，地核-地幔邊界的鉆石形成可能已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十億年，而這就更加令人激動(dòng)了?！?/p>

       Ko的新研究表明，通過這種鉆石形成過程從地核滲漏到地幔的碳可能提供足夠的碳來解釋地幔中碳量的升高。Ko和他的合作者還預(yù)測(cè)，富含鉆石的結(jié)構(gòu)可能存在于地核-地幔邊界，地震研究可能會(huì)探測(cè)到這些結(jié)構(gòu)，因?yàn)榈卣鸩ǖ膫鞑ニ俣葘?duì)這些結(jié)構(gòu)來說應(yīng)該異?？臁?/p>

       “地震波應(yīng)該在地核-地幔邊界的富含鉆石的結(jié)構(gòu)中傳播得特別快，原因是鉆石在地核-地幔邊界是極其不可壓縮的，且密度小于其他材料，”Shim說道。

據(jù)了解，Ko和研究小組將繼續(xù)研究該反應(yīng)如何也能改變地核中其他輕元素如硅、硫和氧的濃度以及這種變化如何能影響深地幔的礦物學(xué)。