近日，北京高压科学研究中心研究员林彦蒿带领的国际研究团队利用高温高压实验模拟水星内部环境，并结合热力学和行星物理模型，证明在水星的核幔边界处可能存在一个全球性的钻石圈层。这一成果为人类理解水星内部物质圈层结构与演化历史提供了新的认知。相关研究发表于《自然-通讯》。
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图片来源：Techno-Science
水星是距离太阳最近的行星。太阳表面近6000℃的温度以及巨大的引力作用，使得科学家对水星的天文观测和航天器探测都受到极大限制，其内部成分和结构一直是未解之谜。
2004至2015年，美国国家航空航天局的MESSENGER 航天器在水星表面发现了大量石墨，这让人们猜测这颗行星可能曾经拥有一个富含碳的岩浆海洋。碳在自然界主要以石墨和金刚石（钻石）这两种形态存在，那么水星内部的碳以何种形式存在呢？
“长期以来，这项研究面临的一个技术难题是如何在高温高压的极端条件下将实验样品冷却为玻璃质态，这也限制了对矿物中硫元素含量的测量。”该研究第一作者、北京高压科学研究中心徐永江博士说到，“我们对实验方法进行了一系列改进，将高压环境下样品冷却速率提升了近10倍，所获得的玻璃态样品能够保留最原始的硫元素含量。”
该团队通过一系列高温高压实验模拟水星核幔边界的极端环境，并结合最新的水星内部结构模型和热力学计算，证明了水星内部的碳既能够以石墨形式，也能够以金刚石形式存在。如果水星形成早期的岩浆洋中含有超过7%的硫，石墨便可以在岩浆洋底部相变为金刚石沉淀于核幔边界。随着水星内部逐渐冷却，水星金属核心逐渐结晶，钻石会从水星核中析出并上浮到核幔边界。该研究基于行星物理模型，估算出现今水星核幔边界的钻石圈层厚度在14.9至18.3公里之间，并且会随着水星内部的冷却而逐渐增厚。
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金刚石在水星核幔边界形成的模式。(a)金刚石在碳饱和的岩浆洋底部形成（可能性低）；(b)在内核固化过程中，金刚石发生出溶并漂浮至核幔边界，金刚石圈层将在内核固化过程中逐渐生长增厚。
“水星内部较高含量的硫元素有利于钻石的形成。”该研究合作者、比利时鲁汶大学Olivier Namu博士解释说，“我们的计算也支持在幔-核之间的界面上形成的含碳矿物应当是钻石而非石墨。”
“我很早已注意到水星这一富含碳的特征，可能会对内部的结构演化产生深刻影响。”林彦蒿说，“水星表面的石墨源自富含碳的岩浆海洋，该海洋结晶固化后形成了石墨壳层，由于水星内部的特殊成分以及高温高压环境，会有足够多的石墨可以形成钻石。钻石也可以在熔融的铁质核心中析出，并上浮至核幔边界处，在那里它将聚集形成一个全球性的钻石圈层。”
科学家指出，水星内部的钻石圈层将有助于解释水星的一系列神秘特征，例如水星的磁场成因。水星有着非常反常的强磁场，钻石的形成可能会影响水星内部的温度分层和对流形式，从而影响磁场的产生。水星内部的钻石形成过程也可以发生在其他富含碳的行星上，从而留下痕迹，这将帮助揭示这些行星的形成演化过程，以及探索可能的外星生命。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49305-x
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