博科園：本文為地球科學類

了解全球碳循環為科學家提供了有關地球可居住性的重要線索。這就是為什麼與金星相比，地球有溫和穩定的氣候和低二氧化碳的大氣層。例如，金星處于失控的溫室狀态，表面溫度高，二氧化碳大氣層厚。地球和金星的一個主要區别是地球上存在活躍的闆塊構造，這使得我們地球的環境在太陽系内獨一無二。但是大氣層、海洋和地殼隻是故事的一部分。地幔占地球體積的75%，其潛在的碳儲量可能超過所有其他儲層總和。碳是有機生命的重要組成部分之一，被俯沖帶進地球内部，在那裡它極大地降低了固體地幔的熔點，在淺層地幔中形成了碳化熔體(富含碳的熔融岩石)，為地表火山提供燃料。

博科園-科學科普：碳酸鹽岩礦物也可能被運送到地球更深處，到達下地幔，但接下來會發生什麼還不确定。回答這個問題充滿了挑戰——地球深處的條件是極端的，來自地幔的樣本是罕見的，解決方案是在實驗室中使用複雜的技術重新創造這些條件。現在，布裡斯托爾大學的一個實驗地球科學家小組已經做到了這一點。他們的研究結果發表在《地球與行星科學快報》上，揭示了碳酸鹽礦物通過海洋地殼俯沖(地球的一個構造闆塊從另一個闆塊滑落到另一個闆塊之下)進入地幔後會發生什麼變化的新線索。他們的發現揭示了碳酸鹽在1000千米以下的深度俯沖障礙，在那裡，碳酸鹽與海洋地殼中的二氧化矽發生反應，形成鑽石。

• 金剛石砧槽邊緣上的兩個相對的金剛石砧，圖片：University of Bristol

這些鑽石在地質時間尺度上儲存在地球深處。地球科學學院的James Drewitt博士解釋說：碳酸鹽礦物是否能夠通過地球的下地幔保持穩定，如果不能，那麼需要什麼樣的壓力/溫度變化來激發礦物與它們的反應？這些都是我們想要找到答案的問題——而得到這些答案的唯一方法就是重現地球内部情況。德威特博士和團隊使用激光加熱的鑽石砧細胞，将人造碳酸鹽岩置于與深部地球環境相當的高壓和溫度下，溫度最高可達2000攝氏度和90 GPa(約90萬大氣壓)。發現碳酸鹽在1000 - 1300千米深處保持穩定，幾乎是岩心的一半。在這些條件下，碳酸鹽與周圍的二氧化矽發生反應，形成一種被稱為bridgmanite的礦物，它構成了地球的大部分地幔。

這個反應釋放的碳以固體二氧化碳形式存在。當周圍熾熱的地幔最終加熱俯沖闆塊時，這些固體二氧化碳分解成超深鑽石。Drewitt博士補充說：最終，超深鑽石可能會通過上升流的地幔羽流回到地表，這一過程可能代表了我們在地表發現的超深鑽石的來源之一，它為我們提供了有關地球深層構成的唯一直接證據。這是令人興奮的，因為人類所能鑽出的最深深度約為12公裡，不到地殼深度的一半。與地幔的巨大規模相比，這簡直是小巫見大巫。地幔接近3000公裡。研究小組使用一個鑽石砧細胞來産生與在這些深度發現的壓力相當的壓力，在顯微鏡下将樣品裝入一個壓力室，壓力室是從一個金屬墊片鑽出來的，然後在寶石質量和切割鑽石砧之間進行壓縮。

這些樣品的晶體結構随後在牛津郡的英國同步加速器工廠用x射線衍射分析。Drewitt博士現在計劃将這些高壓和高溫實驗以及先進的計算機模拟技術應用到其他礦物和材料上，除了碳之外，還有潛在幾大洋價值的水被輸送到地幔深處，當這些水被釋放出來時，将導緻地球上地幔和下地幔的融化。然而，我們無法充分測試或理解這些富含水的熔融岩石動态行為的現有模型，因為我們不知道它們的組成或物理性質。目前正在進行極端條件下的實驗和先進計算機模拟将有助于解決這些問題。

本研究使用激光加熱金剛石砧細胞(LHDAC)實驗在fe - mg - sio2 - co2 (FMSC)和cao - mg - sio2 - co2 (CMSC)系統在較低的地幔壓力下，旨在測試脫碳和金剛石形成反應。Sub-solidus相關系基于合成實驗報告的壓力範圍∼35到90 GPa，1600 - 2200 K的溫度。由碳酸鹽和二氧化矽混合物組成的三元體組成，使脫碳反應産生非三元相(如bridgmanite, Ca-perovskite, diamond, CO2-V)，并用同步x射線衍射和微拉曼光譜識别反應産物的外觀。發現碳酸鹽階段這兩個系統與矽反應形成bridgmanite±Ca-perovskite 二氧化碳壓力的範圍∼40到70 GPa和1600到1900 K存在脫二氧化碳反應。

研究結果表明，脫二氧化碳反應形成一種難以逾越的障礙俯沖碳酸鹽，海洋地殼在地幔深度大于∼1500公裡。還鑒定了碳酸鹽和CO2-V離解反應，它們形成了鑽石和氧氣。根據所觀察到的脫碳反應，研究人員預測，大洋地殼中碳酸鹽俯沖到下地幔深部的最終命運是以難熔金剛石形式沿闆塊地熱在下地幔最深處形成，并沿地幔地熱貫穿下地幔。由亞固态脫碳在海洋地殼中行成的金剛石是難處理、不流動的，可以長時間地儲存在地幔底部，有可能以與地幔深部羽流有關的OIB岩漿形式返回地表。

博科園-科學科普｜研究/來自: 布裡斯托大學

參考期刊文獻:《地球與行星科學快報》

DOI: 10.1016/j.epsl.2019.01.041

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