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新的钻石形成机制被发现了

发布时间:2017-12-20

    虽然地质学研究的大多数问题离大家的生活比较远,但是有一个东西大家肯定不陌生——钻石。
 
    翰霍普金斯大学的地球和行星科学系读地球化学博士迪米特里·斯维尔杰斯基(Dimitri Sverjensky)发现,在地幔中液体和地幔硅酸盐岩石作用时,在某些条件下,pH会降低,同时能随之析出钻石。而这个过程只带来了流体的pH的改变,并没有伴随着氧化还原反应。这客观上降低了钻石形成的难度,因此地幔里钻石的含量也可能比之前想象的要多。
 
    科学界之前普遍认为,钻石只有通过氧化还原反应才能形成。这是因为在地幔的那种高温高压的环境下,碳只能以二氧化碳或者甲烷的形式存在,而构成钻石的碳(0)与二氧化碳(+4)或者甲烷(-4)里的碳价态并不相同。这样一来,这些物质势必要经过氧化还原反应才能形成钻石。
 
    其实在地幔的流体里,碳可以以别的形式存在——比如甲酸、乙酸或者丙酸。乙酸的碳价态和钻石的碳是一样的,而甲酸加丙酸的混合物也能生成零价碳。
 
    钻石生成的条件,一定需要氧化还原反应吗?甲乙丙酸里的碳会不会也能形成钻石?
 
 
    假设:

 

      1份甲酸根、1份氢离子和1份氢气生成1份钻石和2份水;

 
    1份丙酸根、1份氢离子生成3份钻石、一份氢气和2份水。
 
    你把两个式子加起来,就得到:
 
    1份甲酸根、1份丙酸根、2份氢离子可以生成4份钻石和4份水。
 
    也就是说,钻石的形成可能不需要外部的氧化或者还原剂的参与。它的重要性在于,单独的甲烷或者二氧化碳在自然条件下很难生成钻石,必须需要外部的氧化或者还原剂。但是我们的模型显示,含碳物质自身就能生成钻石,这大大降低了钻石形成的难度,不需要那么苛刻的条件。
 
    这个结果几乎颠覆了之前对于钻石形成机制的认识,在我们领域算是个小突破吧。
 
    那么这个结果是怎么得到的呢?
 
    首先,是建立了一个水岩交换的模型。上面提到,地幔里是可能存在甲乙丙酸的。于是可设一份初始溶液,其中包含这些含碳有机物,比如乙酸。然后把温度和压强设定成和上地幔类似的条件。接下来不断地调试各种参数,让模型跑出各种可能的结果——嗯,这个过程俗称”搬砖”,但参数也不是瞎调的,可从别人文献里的数据里取的,加入活度系数模型,为了让这个模型更接近自然样品。当水和岩石反应达到平衡的时候,真的生成了钻石。
 
    再看上面的公式,我们会发现,这个反应是需要氢离子的。这些氢离子来自高温高压下水的电离——那个条件下,因为水电离的平衡常数发生了改变,“中性水”的酸碱度在2-3之间。地幔中液体和硅酸盐岩石相互作用时,导致H+累积而造成pH降低。而随着pH的降低,钻石也随之从液体中析出。

 

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