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在一顆形成於地幔深處的鑽石中含有一種我們在自然界中從未見過的礦物質。這一對地幔深處的驚鴻一瞥，可能有助於揭示地球深處660多公里位置上的結構的新資訊。這可以幫助地質學家更好地理解地幔是如何控制地球板塊構造的。
矽酸鈣鈣鈦礦這種礦物只能在地底深處極高壓下形成。美國內華達大學拉斯維加斯分校（University of Nevada, Las Vegas）的礦物學家Oliver Tschauner說，新發現的樣本可能是在地表以下660公里至900公里之間形成的。
雖然之前就已經有人在實驗室內用20億帕的壓力（幾乎是大氣壓力的20萬倍）合成這種礦物，但在從人工高壓環境中移除後，它會立即恢復到另一種形式。因此，研究人員認為不可能從地幔中得到自然產生的矽酸鈣鈣鈦礦。“我們認為找到它的機會過低以至於我們從未真正積極地尋找過它。”Tschauner說。
因此，當他和同事在分析一顆來自波札那奧羅帕（Orapa，Botswana）鑽石礦的鑽石中的瑕疵，發現了三個微小的矽酸鈣鈣鈦礦斑點時，感到十分震驚。矽酸鈣也可以以其他形式存在，包括地殼中的矽灰石（wollastonite）和地幔中下部的breyite。但這次科學家發現的矽酸鈣鈣鈦礦有一個明顯的立方晶體結構，表明了它與上述礦物的不同。
Tschauner和同事們將這種新礦物命名為“davemaoite”，並於11月11日在《科學》（Science）發表了相關論文。該名字取自華人地質學家毛河光（Ho-Kwang“Dave”Mao）的名字，他曾開拓性地在實驗中使用金剛石壓腔模擬地幔壓力。
在數百萬年的時間裡，岩石和礦物在地質構造運動作用下於各地層之間上下移動，因此地幔和地殼中的岩石是相互關聯的。於是地球科學家也就可以依據地殼中存在的物質對地幔的組成有一個大致的瞭解。
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礦物會隨著它們離開高壓和高溫的下地幔逐漸變形，但鑽石不會。於是，鑽石成為了礦物進入這個區域的直接視窗。它們形成於地表以下至少150公里處，有些甚至來自近乎1000公里深的位置。
鑽石的晶體結構是由純碳構成的，但它們在形成時常常也會將周圍環境中的微小物質囊括其中。由於鑽石異常堅硬，它們可以在非常高的壓力下封存這些微小的“內含物”，一直到鑽石上升到地殼並被礦工採掘。
“鑽石不會讓任何東西進出，這真的是一個完美的封閉性盒子。”來自以色列耶路撒冷希伯來大學（Hebrew University）研究鑽石和深地幔的地質學家Oded Navon如是說到，他沒有參與davemaoite的鑑定工作。
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在波札那發現的這枚鑽石中davemaoite的含量非常少，三個礦物斑點的直徑都只有5~10微米左右。Tschauner和同事用X射線分析了其中的內含物，然後用鐳射在其中的兩個斑點上鑽孔使材料蒸發，並將其送入質譜儀中以確定其構成元素。他們發現davemaoite裡有含量驚人的鉀，Tschauner說這可能幫助了深地幔礦物在地球表面停留期間穩定下來。
美國卡內基科學研究所（Carnegie Institution for Science）地球化學家、北京大學講座教授費英偉（Yingwei Fei，並未參與這項研究）為這項新研究撰寫了一篇社論。他表示鉀元素含量高還暗示著地殼和地幔之間存在著一條全球性的“輸送帶”，可以在地殼和地幔之間迴圈元素。鉀並不是存在於深部地幔的主要元素，但它很可能是在地殼板塊中，透過俯衝帶這種一個板塊推動另一個板塊的形式下潛傳播的。
Tschauner說，鉀存在一種具有放射性的形式。而除鉀外，davemaoite還含有少量其他放射性元素如釷和鈾，這些元素不易被構成下地幔的其他礦物吸收。這點這很重要，因為正是這些元素的衰變，才製造了地球內部大約三分之一的熱量。
根據靠近地球表面的礦物濃度推斷，地球科學家懷疑davemaoite約佔下地幔的5%~7%。但Tschauner補充說，這種礦物的分佈可能並不均勻。因此，富含鈾和釷的davemaoite可能在某些地方佔主要地位，這可能也就解釋了為什麼地幔的某些部分比其他部分更熱。這些熱點有助於推動地幔的迴圈，從而驅動板塊構造運動。因此，礦物濃度的微小變化可能對地球表面產生了巨大影響。這些變化也可能揭示出更多關於地殼和下地幔之間的聯絡，也許有助於解釋元素是如何在它們之間移動的。
Tschauner表示，這是一個剛剛成為可能的研究領域。他補充說：“對於這種型別的研究來說，找到真正來自下地幔的礦物是一個相當新的方向。”
作者：Stephanie Pappas
翻譯：李靜一
編輯：魏瀟
引進來源：Scientific American
本文來自：中國數字科技館
