从地下深处当钻石“迁移”到表面,他们维持压力在外面当没有更多的压力?如果是这样,如何?

Question

从科学新闻的一种矿物中发现钻石的缺陷包含地球的热量的来源:

一点点的岩石被困在一个钻石是现在打开一个全新的窗口到地球的下地幔是什么样子。在钻石是一个新发现的硅酸盐矿物称为davemaoite,只能形成于地球的下地幔,研究人员报道11月12日的《科学》上。这是第一次,科学家们已经明确证明这种类型的下地幔矿物——以前刚从实验室实验预测——实际上存在于自然。这个团队命名为矿物著名的实验高压地球物理学家Ho-kwang (Dave)毛(SN: 3/16/04)

科学家此前估计,约5%至7%的下地幔必须由矿物,Tschauner说。但这是极其难以直接观察到这种deep-Earth矿物质。因为稳定的矿物在激烈的压力下地幔的——延伸到地球表面以下- 2700公里尽快开始重新安排他们的晶体结构允许的压力。

即使是地球上最常见的矿物,下地幔镁铁硅酸盐称为bridgmanite,主要是理论直到2014年,当它被发现有自然发生在澳大利亚陨石撞击的力量产生破碎、岩石的深mantle-like压力(SN: 11/27/14)。迄今为止,bridgmanite是唯一的其他高压硅酸盐矿物证实存在于自然。

钻石像时间胶囊,锁定在原始矿物形式表面上他们的旅程。发现davemaoite不仅是一个确认它的存在,但它也揭示了地球深处的热源的位置....通过识别davemaoite的化学组成,研究人员现在可以确认这些元素驻留的地方。

这是因为博茨瓦纳钻石也包含了一种高压的冰以及另一个高压矿物称为方铁矿(SN: 3/8/18)。这些夹杂物的存在有助于缩小的粗糙的压力davemaoite可能形成:介于240亿帕斯卡和350亿帕斯卡,Tschauner说。很难说什么深度对应,他补充道。但发现直接链接热代(放射性物质),水循环(冰)和碳循环(由钻石的形成本身),所有在地幔深处,Tschauner说。

从这篇文章我认为我被告知这颗钻石是保持足够的压力来保持“davemaoite”和“一种高压冰”和方铁矿稳定。

我的理解正确吗?

问题:从地下深处当钻石“迁移”到表面,他们维持压力在外面当没有更多的压力?如果是这样,如何?

我认为,随着钻石上升到表面,外面的压力放松放松,扩大统一和内部的压力就会放松。如果情况并非如此,为什么不呢?

---

微小的矿物嵌在这片灰色斑点清晰的钻石是新任命的第一批样本davemaoite,硅酸钙钙钛矿矿物,只有形式下地幔。亚伦CELESTIAN /洛杉矶县自然历史博物馆的

Answer 1

问题是关于压力的罕见,地幔矿物形成可见的在一个钻石包容。金刚石晶体内的夹杂物的压力真的是限制碳的晶体晶格内的压力,使钻石是什么。我们跑题了一会儿。

钻石是共价晶体。每个碳原子的钻石水晶被绑定到四个碳原子的四面体地取向,从而形成一个正四面体和一个碳原子在中心,分别在四个顶点,每个原子共享一个电子在一个共价键。这种共价晶体结构呈现钻石晶体作为一个分子。在天然矿物质,共价键也呈现钻石极其困难。因此,晶体结构是非常困难的脱臼或剪切,将打破,或骨折,因此。这个特征应该与替代晶形碳相比,即石墨。我们都知道,石墨是极其容易剪切和休息。没有石墨,我们会没有铅笔。

钻石晶体形式在非常高的温度和压力比地球的上层地幔深处。然而,钻石晶体是在温度和压力不稳定,石墨是稳定的。金刚石的晶体结构不满足焊接能力在晶体表面的crystal-bonding元素没有被其他共价键单位。在地球表面,水晶将反动地沦为石墨以极其缓慢的速度,但不会容易氧化,除非强制点火。然而,这些非常强共价键导致极高的包装碳原子的密度,从而也防止晶体结构改变现有的晶体由于压力是不稳定的。显然很少或没有改变钻石的晶体结构的尺寸稳定性由于压力的变化。换句话说,钻石的尺寸稳定性是对压力的变化不敏感。钻石不能被压缩。

夹杂物钻石晶体内的其他矿物质很少形成的压力和温度条件下的钻石成立。这些矿物包裹体形成相当大的时间形成的钻石和条件下更甚。包容是一个简单的工件信息或其他矿物的晶体包含在金刚石晶体。夹杂物可能通常很小。主要地层为稀世钻石,这些夹杂物是石墨,或者水晶钻石的孪生违规造成的晶体结构为钻石成立。但在某些罕见的情况下,这些夹杂物结晶矿物的形成在深时间大大钻石的形成,在地幔深处更极端的压力。这些夹杂物可能早在钻石的形成数十亿年。换句话说,当钻石晶体形成,成长在这种类型的矿物夹杂物。

我们可以看到,一些钻石可能有历史很有趣。特别是对于目前的问题,davemaoite晶体的小夹杂物将在地球表面不存在如果没有围压形成的钻石的晶体点阵的密集,covalently-bound碳原子。回想一下,金刚石的晶体结构是异常困难的脱臼或剪切,和包装的碳原子晶格非常密集。因此,每个davemaoite包容被困在金刚石晶体包含随着晶体点阵的成长。独特的水晶钻石的共价键结构,本身,限制davemaoite晶体在极端的压力。

Answer 2

的一个更有趣的例子钻石保持高压晶格中讨论这个答案从太空探索。第七把短暂,冰夹杂物中发现了钻石在地球表面尽管这个阶段的水需要GPa压力水平。在这种情况下所需的压力一定是继承了在金刚石晶格内发现了冰,和晶格参数的计算压力确实是8 - 11 GPa之间冰七世将是稳定的。

倾向于保持内部压力并不完全独特的钻石。任何固体形成的压力下能够保持这样的压力在其晶格内部。然而,如果周围的压力释放后,材料也会变形,以减轻内部压力。大致上,只有一个类似数量的压力屈服强度(通常是远低于体积弹性模量)预计将被保留。这背后的力学结果描述如下。对大多数固体这个极限是如此之低,夹杂物最终在他们的“正常”低压阶段,不是很有趣。钻石的独特之处是它的优越的力量:[罗夫1)(https://doi.org/10.1063/1.326378)给出了35 GPa的屈服强度,使其rentain足够的内部压力(如果它是形成在这种压力)来稳定冰七世,perovskite-structured硅酸盐等。

参考

阿瑟·l·劳夫(1979)。“钻石”的屈服强度。应用物理杂志50,3354年。https://doi.org/10.1063/1.326378

---

压力是:固体矩阵如何保留压力……或不

考虑一个球形颗粒的半径r_p美元施加的压力$ P $在周围固体矩阵。在缺乏平衡来自外界的压力,在生成一个压应力施加的压力\ sigma_c美元在径向方向上拉伸应力\ sigma_t美元在两个正交方向上(以及球体同心粒子)通过volune周围的固体。如下图所示,这两个组件减少的多维数据集的距离粒子,所以在粒子表面的最大大小。有消极的压应力$ p $和积极的拉应力+ P / 2美元。

我们可以应用·冯·米塞斯屈服准则即周围的矩阵收益率,从而减少保留压力,当

美元(\ sigma_1 - \ sigma_2) ^ 2 + (\ sigma_2 - \ sigma_3) ^ 2 + (\ sigma_3 - \ sigma_1) ^ 2 \ ge2 (y) ^ 2美元

在哪里$ \ sigma_1 \ sigma_2 \ sigma_3 $是三个正交应力张量的主成分。在这里$ \ sigma_1 = \ sigma_c = - p $和$ \ sigma_2 = \ sigma_3 = \ sigma_t = + P / 2美元,然后屈服准则

$ P \通用电气(2/3)(y)美元

钻石晶格,屈服强度的35 GPa这意味着钻石可以维持一个压力23 GPa,正文中引用,在冰七世夹杂物,而大多数其他矿物质会屈服应力远低于1 GPa,因此未能保留足够的压力来维持冰七夹杂物或其他低压化阶段。