地幔深处的化学悖论：南非钻石揭示地球内部&

耶路撒冷希伯来大学的科学家在两颗来自南非矿山的钻石中发现了令人困惑的化学组合：富含氧原子的碳酸盐矿物与贫氧镍合金共存于同一钻石内部。这种在正常情况下"几乎不可能"共存的物质组合，为理解地球深部地幔的化学过程和钻石形成机制提供了前所未有的直接证据，同时挑战了现有的地幔化学理论模型。

这一发现的重要性在于，它首次在天然钻石中捕捉到了钻石形成反应的中间状态。在地球化学中，氧化态的碳酸盐矿物和还原态的金属合金通常会立即发生反应，就像酸和碱迅速中和一样，因此它们很难在自然环境中长期共存。研究团队最初对这些样本感到如此困惑，以至于将它们搁置了整整一年，直到重新分析才意识到这一发现的重大意义。

钻石内含物的科学价值

深地钻石。 （图片来源：Yael Kempe 和 Yakov Weiss）

钻石内含物长期以来被珠宝商视为缺陷，但对地球科学家而言却是无价的科学宝藏。当钻石在地幔深处形成时，会将周围岩石的微小碎片封存在内部，这些内含物在钻石上升至地表的过程中基本保持不变，为科学家提供了研究地幔深部物质和过程的独特窗口。

雅科夫·韦斯作为研究的资深作者指出，这些新发现的钻石样本特别珍贵，因为它们来自地表以下280至470公里的深度，这一区域正处于地幔化学性质发生关键转变的位置。在这个深度范围内，地幔从相对富氧的氧化环境逐渐转变为贫氧的还原环境，但直到现在，科学家对这种转变的直接证据极其有限。

不列颠哥伦比亚大学地球科学教授玛雅·科皮洛娃虽未参与这项研究但为论文撰写了评述文章，她强调了这一发现的独特性："我们通过一些经验数据了解到地幔在200公里深度左右的还原性特征，但200公里以下发生的情况主要基于理论模型，因为很难获得来自更深处的实际材料。"

地幔化学转变的新认识

这项发现对理解地球内部化学演化具有重要意义。传统理论认为，随着深度增加，地幔中可用的氧分子逐渐减少，环境变得越来越具有还原性。然而，新发现的钻石内含物显示，氧化性熔融物质的存在深度比此前预期的要深得多。

这一观察结果对金伯利岩的起源理论产生了重要影响。金伯利岩是将深部钻石带到地表的火山岩石，由于其氧化性特征,科学家此前认为它们不可能起源于300公里以下的深度。但新证据表明，氧化性岩石可能在更深的地幔中存在，这意味着金伯利岩的起源深度可能需要重新评估。

研究团队推测，钻石形成反应可能发生在俯冲构造板块将含氧矿物拖拽至地幔深处时，使这些氧化性物质与地幔中的金属合金发生接触。在这种特殊的地质环境中,看似不相容的化学物质得以短暂共存，并被快速形成的钻石捕获，形成了这些珍贵的化学"快照"。

钻石形成机制的新视角

传统的钻石形成理论主要认为钻石是从富含碳的流体中沉淀形成的，类似于糖从糖浆中结晶的过程。当这些含碳流体在地幔中上升并冷却时，碳原子会结晶形成钻石。然而，新发现的证据支持了另一种钻石形成机制：碳酸盐矿物与金属合金之间的氧化还原反应。

这种反应机制的发现不仅丰富了我们对钻石形成过程的理解，也解释了某些钻石中观察到的异常现象。例如,一些钻石的晶格中偶尔会出现镍原子取代碳原子的情况。由于镍比碳重得多,按理说不应该轻易替换到晶体结构中,这一直是个未解之谜。

科皮洛娃认为新发现可能为这一现象提供了解释："现在看到这些数据,我认为这可能只是钻石在某些特定深度形成的标志。"富含镍的内含物的存在表明,在钻石形成过程中确实存在镍元素的直接参与,这为理解镍替换碳的机制提供了重要线索。

地球内部结构研究的意义

这项研究的影响远超钻石学本身,它为理解地球内部的化学分层和动力学过程提供了新的视角。地幔作为地球内部最大的组成部分,其化学性质的垂直变化直接影响着板块构造、火山活动和地球整体的地球化学循环。

新发现证实了地幔中确实存在化学性质的急剧转变带,这种转变不是渐进的,而可能在相对狭窄的深度范围内发生。这种认识对于建立更准确的地幔对流模型和理解地球内部热传递机制具有重要意义。

此外,这些发现也可能对地球早期演化历史的研究产生影响。地幔的氧化还原状态与地球大气层氧气含量的演化、生命起源的化学条件等重大科学问题密切相关。通过研究现代地幔的化学性质,科学家可能获得理解地球早期环境条件的重要线索。

研究团队计划继续搜寻更多类似的钻石样本,以验证这些初步发现并深入研究地幔化学转变的详细机制。随着分析技术的不断进步和更多深部样本的发现,我们对地球内部这个神秘世界的理解将不断深化,这些闪闪发光的宝石继续为地球科学提供着无价的科学信息。