科學家發現水星鉆石圈層

近日，北京高壓科學研究中心研究員林彥蒿帶領的國際研究團隊利用高溫高壓實驗模擬水星內部環境，并結合熱力學和行星物理模型，證明在水星的核幔邊界處可能存在一個全球性的鉆石圈層。這一成果為人類理解水星內部物質圈層結構與演化歷史提供了新的認知。相關研究發表于《自然-通訊》。

圖片來源：Techno-Science

水星是距離太陽最近的行星。太陽表面近6000℃的溫度以及巨大的引力作用，使得科學家對水星的天文觀測和航天器探測都受到極大限制，其內部成分和結構一直是未解之謎。

2004至2015年，美國國家航空航天局的MESSENGER 航天器在水星表面發現了大量石墨，這讓人們猜測這顆行星可能曾經擁有一個富含碳的巖漿海洋。碳在自然界主要以石墨和金剛石（鉆石）這兩種形態存在，那么水星內部的碳以何種形式存在呢？ 

“長期以來，這項研究面臨的一個技術難題是如何在高溫高壓的極端條件下將實驗樣品冷卻為玻璃質態，這也限制了對礦物中硫元素含量的測量。”該研究第一作者、北京高壓科學研究中心徐永江博士說到，“我們對實驗方法進行了一系列改進，將高壓環境下樣品冷卻速率提升了近10倍，所獲得的玻璃態樣品能夠保留最原始的硫元素含量。”

該團隊通過一系列高溫高壓實驗模擬水星核幔邊界的極端環境，并結合最新的水星內部結構模型和熱力學計算，證明了水星內部的碳既能夠以石墨形式，也能夠以金剛石形式存在。如果水星形成早期的巖漿洋中含有超過7%的硫，石墨便可以在巖漿洋底部相變為金剛石沉淀于核幔邊界。隨著水星內部逐漸冷卻，水星金屬核心逐漸結晶，鉆石會從水星核中析出并上浮到核幔邊界。該研究基于行星物理模型，估算出現今水星核幔邊界的鉆石圈層厚度在14.9至18.3公里之間，并且會隨著水星內部的冷卻而逐漸增厚。

金剛石在水星核幔邊界形成的模式。(a)金剛石在碳飽和的巖漿洋底部形成（可能性低）；(b)在內核固化過程中，金剛石發生出溶并漂浮至核幔邊界，金剛石圈層將在內核固化過程中逐漸生長增厚。

“水星內部較高含量的硫元素有利于鉆石的形成。”該研究合作者、比利時魯汶大學Olivier Namu博士解釋說，“我們的計算也支持在幔-核之間的界面上形成的含碳礦物應當是鉆石而非石墨。”

“我很早已注意到水星這一富含碳的特征，可能會對內部的結構演化產生深刻影響。”林彥蒿說，“水星表面的石墨源自富含碳的巖漿海洋，該海洋結晶固化后形成了石墨殼層，由于水星內部的特殊成分以及高溫高壓環境，會有足夠多的石墨可以形成鉆石。鉆石也可以在熔融的鐵質核心中析出，并上浮至核幔邊界處，在那里它將聚集形成一個全球性的鉆石圈層。”

科學家指出，水星內部的鉆石圈層將有助于解釋水星的一系列神秘特征，例如水星的磁場成因。水星有著非常反常的強磁場，鉆石的形成可能會影響水星內部的溫度分層和對流形式，從而影響磁場的產生。水星內部的鉆石形成過程也可以發生在其他富含碳的行星上，從而留下痕跡，這將幫助揭示這些行星的形成演化過程，以及探索可能的外星生命。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49305-x