最新研究探索了水星条件下碳的相稳定性，提出在岩浆海冷却过程中，碳元素可能结晶成钻石，形成一层厚厚的钻石层。这一发现为我们理解其他富含碳行星的演化提供了新的视角。文章还介绍了水星的独特特征、岩浆海假说、碳的影响以及未来水星科学的研究方向。
根据一系列实验和建模方法，探索了水星条件下碳的相稳定性，发现碳元素可能会在高压下结晶成钻石，形成一层厚厚的钻石层。
钻石层的存在可能有助于产生水星的磁场，而一个约10-15公里厚的含钻石层与更新的水星惯性矩相符合。
水星具有巨大的核幔比和奇异的表面化学成分。岩浆海假说表明，地球、月球、金星、火星和水星等类地行星在形成早期都经历过一个巨大的全球熔融阶段。
来自即将进行的欧空局和日本宇宙航空研究开发机构的联合任务“贝皮科伦坡”号将提供更多关于水星的数据，这将有助于进一步了解水星和其他类地行星的演化。
水星是太阳系中一颗不寻常的行星。近日《自然通讯》期刊发表最新文章，根据一系列实验和建模方法，探索了水星条件下碳的相稳定性，推测水星在早期经历过一个巨大的岩浆海阶段。在岩浆海冷却过程中，碳元素可能会在高压下结晶成钻石，形成一层厚厚的钻石层。钻石层的存在可能对水星的磁场产生影响，并有助于解释水星的惯性矩。这一发现为我们理解其他富含碳行星的演化提供了新的视角。
水星是太阳系中一颗不寻常的行星。与地球一样，它也有外逸层和磁场，但它也有一些独特的特征，使其与太阳系中其他岩石天体不同，例如：它具有巨大的核幔比和奇异的表面化学成分。尽管存在差异，但岩浆海假说表明，地球、月球、金星、火星和水星等类地行星在形成早期都经历过一个巨大的全球熔融阶段，导致金属核与硅酸盐岩浆分离，然后冷却结晶成地幔和地壳（图1）。在最近的研究中，Xu等(2024)根据一系列实验室实验和建模方法，探索了水星条件下碳的相稳定性，提出在水星形成的早期阶段，核幔边界可能存在一个钻石层。图1 水星岩浆海的演化。Xu等(2024)提出水星的核幔边界存在一个钻石层，该钻石层是在岩浆海结晶过程中以及岩浆海后结晶过程中从地核渗透形成的。a金属开始从岩浆海中析出并沉积到地核中。b 核已经形成，随着岩浆冷却，硅酸盐晶体开始形成。c 岩浆海的深化结晶和地幔的形成。
我们对水星的了解来自地面观测技术，例如射电望远镜，以及轨道数据，主要来自美国国家航空航天局的轨道任务：水手 10 号（1973–1975 年）和信使号（水星表面、空间环境、地球化学和测距；2004–2014 年）。来自即将进行的欧空局和日本宇宙航空研究开发机构的联合任务“贝皮科伦坡”号将提供更多数据，该任务计划于 2025 年底进入水星轨道，并已从水星飞越中提供了强大的图像和分析。
这些任务的数据表明，水星的化学成分独特。它的表面高度还原，铁含量低（< 3wt%），硫含量相对较高（>4wt%），以及低反射率区域，被解释为富碳区域。这些观测引发了对水星整体成分的研究，并提出了关于它如何演化出如此独特的表面，以及明显不同的火山地形的疑问。像太阳系中的其他类地行星一样，它被认为是从岩浆海阶段开始的。为了了解岩浆海阶段期间和之后行星地幔的矿物学和结构，我们依赖于实验室的实验，这些实验探索了行星成分在各种高压和高温下的熔化和结晶，以及地球物理模型，该模型考虑了当前测量和预测的行星性质，例如重力、质量、密度和磁场。
由于在水星表面观测到低反射率区域，并且碳可能存在于内部，Xu等(2024)探索了岩浆海情景下碳的相稳定性和结晶。由于整体化学成分、硫化物含量和还原氧化状态的相似性，顽火辉石球粒陨石被认为是水星整体成分的类似物。因此，Xu等(2024)使用修改后的顽火辉石球粒陨石成分作为一系列高压和高温实验的起始材料，这些实验旨在检查在 7 GPa 压力和高达 2213 K 温度下深层地幔条件下存在的相。他们确定了硅酸盐矿物橄榄石、正辉石、斜辉石和石榴石以及 FeS 和 MgCaFeS 硫化物，这些结果与先前研究的观测结果一致，并为这些深层地幔条件下主要矿物提供了重要约束。
为了解岩浆海情景下碳的相稳定性和结晶，Xu等(2024)然后将他们的实验结果与模型结合起来，以预测石墨-金刚石转变。他们发现，如果硫不存在，石墨是稳定的，但如果硫存在，金刚石在适当条件下可能是稳定的。正如水星表面低反射率区域所观察到的那样，石墨将是地幔和地壳较浅部分的主要相，而任何金刚石生长都将局限于地核和地幔的更深部分。从理论上讲，在相关的压力、温度、氧化状态和碳溶解度条件下，计算表明，在核幔边界可能存在一个 0.1 到 200 米厚的钻石层，这是岩浆海结晶的产物。
这层钻石可能以不同的方式形成。首先，它可能是在高压下从碳饱和的岩浆海中结晶出来的。其次，它可能是在冷却的水星内部捕获的石墨转变形成的。最后，它可能来自水星核心的碳，结晶成金刚石并渗透到核幔边界，有助于形成一个晚期钻石层。作者得出结论，从地核中移动的金刚石，除了岩浆海中的一些结晶外，是最有可能产生足够厚钻石层的场景。
一个星球的惯性矩 (MOI) 描述了其内部的质量分布，可以提供其核和地幔大小和密度估计的见解。最近确定的MOI可能表明核幔边界比以前假设的更深，这可能会改变地幔深处存在的硅酸盐矿物和碳相的稳定性。为了理解较低的 MOI 值，Xu等(2024)探索了碳在深层地幔中影响的可能性，并发现一个约 10-15 公里厚的含钻石层，这比他们先前的结晶模型中估计的要厚，可以满足更新的 MOI。
钻石层，无论是 0.1 公里还是 15 公里厚，都将是导电的。因为它位于液体外核之上，这种导电性可能有助于产生水星的磁场。
最后，碳是理解行星形成的关键挥发性元素之一，包括大气层和宜居行星的形成。这项工作有助于限制水星中碳的相稳定性，因此影响了对行星内部挥发性元素储存的一般理解，这可能有助于限制其他富碳天体，甚至系外行星的演化。
过去的任务，特别是信使号，提供了大量关于水星的信息。来自“贝皮科伦坡”号任务的结果将增加这些知识，为太阳系最内层的行星提供更详细的见解；这本身就是一个值得的目标。从对水星的理解中，我们还将更多地了解类地行星的形成，从地球和我们的邻居到遥远的系外行星。
以上内容来自文献：Mouser, M.D. A diamond layer in Mercury’s deep interior. Nat Commun 15, 5062 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49497-2
参考文献：Xu, Y., Lin, Y., Wu, P. et al. A diamond-bearing core-mantle boundary on Mercury. Nat Commun 15, 5061 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-49305-x
以上就是这篇文章的主要内容，如需了解详情，请阅读原文。
样品袋, 地质锤, 硬度笔, 记录本, 放大镜
地刊速览专注科普，尝试用最通俗的语言，对地球科学前沿进行科普式的介绍，一方面希望对地球科学研究人员有所帮助，另一方面向非地学背景人员展示地学之美。
