芝加哥大学(University of Chicago)和其他研究人员上周在《科学》(Science)杂志上发表的一项研究显示，地球表面以下至少250英里(约合250公里)的地方自然存在水。这一发现依赖于阿尔贡国家实验室先进光子源发出的极其明亮的x射线，它可能会改变我们对水如何在地幔深处循环以及热量如何从地球较低区域逃逸的理解。
研究人员发现了一种名为Ice-VII的水，它被困在地幔深处结晶的钻石中。这是第一次在天然样本中发现Ice-VII，使其成为国际矿物学协会认可的新矿物。
这项研究是先进光子源(Advanced photersource)一系列研究项目中的最新一项。先进光子源是一个巨大的x射线设备，每年有数千名研究人员使用，它揭示了地球深处的组成和构成。人类无法直接探索这些区域，因此先进的光子源使他们能够利用高能x射线来分析在地球深处形成的钻石中的包裹体。
“我们对这些包裹体很感兴趣，因为它们告诉我们钻石形成时地球深处的化学成分和条件，”芝加哥大学研究副教授、该研究的合著者安东尼奥·兰齐罗蒂(Antonio Lanzirotti)说。
在这个案例中，研究人员分析了从中国和非洲地区开采的未经切割的粗糙钻石。利用光学显微镜，矿物学家首先确定了包裹体，或杂质，这一定是形成时，钻石结晶。但是为了确定这些包裹体的组成，矿物学家需要一种更强大的仪器:芝加哥大学地球石油环境研究所的先进光子源束流线。
由于x射线的亮度非常高，其强度是普通x光机的10亿倍，科学家可以确定只有几微米宽的样品的分子或原子组成。当x射线照射到样本的分子时，它们分散成独特的图案，揭示了它们的分子组成。
研究小组发现的结果令人惊讶:水以冰的形式存在。
水的成分和我们每天饮用和使用的水是一样的，但是是以立方晶体的形式存在的——这是钻石的极高压力的结果。
这种形式的水，Ice-VII，是几十年前在实验室里产生的，但是这项研究是第一次证实它也是自然形成的。由于钻石形成所需要的压力，科学家们知道这些样本形成于地球表面以下410至660公里(250至410英里)。
研究人员说，这项研究意义重大，因为它表明，地球表面以下的流动水比原先认为的要深得多。展望未来，研究结果提出了许多重要的问题:地球上的水是如何循环的，热量又是如何循环的。这项研究的主要作者、拉斯维加斯内华达大学(University of Nevada)的矿物学家奥利弗·特肖纳(Oliver Tschauner)表示，这一发现可以帮助科学家创建新的、更精确的模型，来研究地球内部发生了什么，特别是地壳下热量是如何以及在哪里产生的。这可能有助于科学家更好地理解板块构造的驱动机制之一。
“这并不容易找到，”芝加哥大学研究教授、该研究的合著者维塔利普拉卡彭卡(Vitali Prakapenka)说。“长期以来，人们一直在寻找这种包容。”
目前，研究小组正在考虑，既然Ice-VII已经正式成为一种矿物，那么它是否会被重新命名。由于在先进的光子源GSECARS beamlines上所做的研究，这并不是第一个被发现的矿物:Bridgmanite，地球上最丰富的矿物和高密度的镁铁硅酸盐形式，在它被命名之前就在那里进行了广泛的研究。Tschauner也是这项研究的主要作者之一。
“在这项研究中,由于先进的光子源的惊人的技术能力,这组研究人员能够确定和研究具体区域的钻石被困水中,”Stephen Streiffer说阿贡实验室主任助理主任光子科学和先进的光子源。“那个区域只有几微米宽。从这个角度来看，人类的头发大约有75微米宽。
他说:“这项研究是由芝加哥大学和拉斯维加斯内华达大学等机构的合作伙伴发起的，它只是一个最新的例子，说明APS是跨科学领域研究人员的一个重要工具。”
GSECARS的其他联合作者是Eran Greenberg、Zhang Dongzhou和Matt Newville。
除了芝加哥大学(University of Chicago)和拉斯维加斯大学(UNLV)，研究中提到的其他机构还包括加州理工学院(California Institute of Technology)、中国地质大学(China University of Geosciences)、夏威夷大学马诺阿分校(University of Hawaii at Manoa)和多伦多皇家安大略博物馆(Royal Ontario Museum)。数据也被华盛顿卡内基研究所的高压协作访问团队在先进光子源和劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源处收集。
引文:“钻石中的冰- vii包裹体:地球深部地幔中存在水流体的证据”，Tschauner等人，《科学》，2018年3月9日。DOI: 10.1126 / science.aao3030
资助:美国能源部科学办公室，国家科学基金会。
这个故事最初出现在阿贡国家实验室的网站上