当钻石从地下深处“迁移”到地表时，当外部没有压力时，它们是否会在内部保持压力?如果有，怎么做?

Question

来自《科学新闻》在钻石的瑕疵中发现的一种矿物含有地球的一些热量的来源：

被困在钻石内的一小块岩石现在为研究地球下地幔的样子打开了一扇崭新的窗户。钻石里面是一个新发现的硅酸盐矿物命名为达茂石研究人员在11月12日的《科学》杂志上报告说，这种物质只能在地球的下地幔中形成。这是科学家们第一次成功地明确证明了这种类型的下地幔矿物——以前只是在实验室实验中预测的——实际上存在于自然界中。这个团队命名矿物

Tschauner说，科学家此前估计，大约5%到7%的下地幔一定是由这种矿物组成的。但要直接观测到这种深地矿物是极其困难的。这是因为矿物在下地幔的巨大压力下是稳定的——下地幔一直延伸到地球表面下2700公里一旦压力减小，就开始重新排列晶体结构。

即使是地球上最常见的矿物，一种下地幔镁铁硅酸盐，称为桥锰矿，直到2014年，它才被发现自然发生在一颗撞击澳大利亚的陨石中，这种力量在岩石中产生了破碎的、深地幔般的压力(SN: 11/27/14)。迄今为止，桥锰矿是自然界中唯一确认存在的高压硅酸盐矿物。

钻石就像时间胶囊，在到达地表的过程中锁定了原始的矿物形态。davemaoite的发现不仅证实了它的存在，而且还揭示了地球深处一些热源的位置....通过确定davemaoite的化学组成，研究人员现在可以确定这些元素的位置。

那是因为博茨瓦纳钻石也含有冰:冰的高压形式以及另一种被称为wüstite (SN: 3/8/18)的高压矿物。Tschauner说，这些包裹体的存在有助于缩小davemaoite可能形成的粗略压力:大约在240亿帕斯卡到350亿帕斯卡之间。他补充说，很难确切地说这对应的深度是多少。Tschauner说，但这一发现直接将热量产生(放射性物质)、水循环(冰)和碳循环(以钻石本身的形成为代表)联系在了一起，所有这些都发生在地幔深处。

从这篇文章中，我想我被告知钻石保持了足够的压力，以保持“davemaoite”和“高压形式的冰”以及wüstite的稳定。

我理解得对吗?

问题:当钻石从地下深处“迁移”到地表时，当外部没有压力时，它们是否会在内部保持压力?如果有，怎么做?

我认为，当钻石上升到表面时，外部的压力会放松，均匀地膨胀，内部的压力也会放松。如果不是这样的话，为什么不呢?

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嵌在这片透明钻石中的微小灰色矿物斑点是新命名的davemaoite的第一个样本，davemaoite是一种硅酸钙钛矿矿物，只在下地幔形成。洛杉矶县自然历史博物馆的Aaron celestian

Answer 1

这个问题是关于在钻石夹杂物中可见的一种罕见的、深地幔形成的矿物的限制压力。钻石晶体内包裹物的压力实际上是碳晶格内的约束压力，这使钻石成为它的样子。让我们暂时离题。

钻石是共价晶体。钻石晶体的每个碳原子都与四个等距离的四面体碳原子相连，从而形成一个正四面体，中心有一个碳原子，四个顶点各有一个碳原子，每个原子共享一个共价键中的电子。这种共价晶体结构使金刚石晶体呈现为单个分子。在天然矿物中，这种共价键也使钻石极其坚硬。因此，晶体结构非常难以错位或剪切，并将破裂，或断裂，作为结果。这种特性可以与碳的交替结晶形式，即石墨相比较。众所周知，石墨极容易剪切断裂。没有石墨，我们就没有铅笔。

钻石晶体形成于地球上地幔深处异常高的温度和压力下。然而，金刚石晶体在温度和压力下是不稳定的，而石墨是稳定的。金刚石的晶体结构在其晶体表面具有不理想的键合能力，因为晶体的键合元件周围没有其他共价键合单元。在地球表面，这种晶体会以极慢的速度反应性地退化成石墨，但除非通过强制点火，否则不会轻易氧化。然而，这些异常强的共价键导致了碳原子极高的堆积密度，因此也防止了晶体结构因存在于晶体不稳定处的压力而改变。显然，由于压力的变化，金刚石晶体结构的尺寸稳定性几乎没有改变。换句话说，金刚石的尺寸稳定性对压力的变化并不敏感。金刚石不能被压缩。

在与钻石形成相同的压力和温度条件下，钻石晶体中其他矿物的包裹体很少形成。这些矿物包裹体是在钻石形成之前相当长的时间内形成的，而且是在更为极端的条件下形成的。夹杂物仅仅是一种形成的人工制品，或者是包含在钻石晶体中的某种其他矿物的晶体。夹杂物通常可能很小。对于宝石质量的钻石来说，这些包裹体主要是形成的，它们是石墨，或者是由于钻石形成时晶体结构的不规则而导致的晶体孪生。但在一些罕见的情况下，这些包裹体是在钻石形成之前很久形成的结晶矿物，并且是在地幔深处更极端的压力下形成的。这种包裹体可能早于金刚石形成的时间数十亿年。换句话说，当钻石晶体形成时，它围绕着这种类型的矿物包裹体生长。

正如我们所看到的，一些钻石可能有一段非常有趣的历史。特别是关于目前的问题，如果不是由于钻石晶格中密集排列的共价键碳原子形成的围压，就不会存在于地球表面的davemaoite晶体的小包裹体。回想一下，金刚石的晶体结构是非常难以错位或剪切的，并且晶格中碳原子的堆积是非常密集的。因此，每一个达摩辉石包裹体都是被困在钻石晶体内，晶体晶格围绕夹杂物生长。钻石本身独特的晶体共价键结构，在极端压力下限制了davemaoite晶体。

Answer 2

中讨论了金刚石在其晶格中保持高压的一个比较有趣的例子这个答案来自太空探索SE。简而言之，在地球表面的钻石中发现了冰VII内含物，尽管这一阶段的水需要GPa的压力水平才能形成。在这种情况下，在发现冰的金刚石晶格内必须继承所需的压力，并且根据晶格参数计算出的压力确实在8到11 GPa之间，其中冰VII将是稳定的。

内部保持压力的倾向并不完全是钻石独有的。任何在压力下形成的固体都可以在其晶格内部保持这种压力。然而，如果周围的压力被释放，那么材料也可能会变形以释放内部压力。因此，大致上，只有与屈服强度相似的压力(通常远低于体模量)预计会被保留。下面描述了这个结果背后的机制。对于大多数固体来说，这一极限是如此之低，以至于包裹体最终处于“正常”低压相，这不是很有趣。钻石的独特之处在于它超强的强度:[罗夫1]（https://doi.org/10.1063/1.326378)的屈服强度为35 GPa，使其能够保持足够的内部压力(如果它是在这种压力下形成的)来稳定Ice VII、钙钛矿结构的硅酸盐等。

参考

Arthur L. Ruoff(1979)。“论金刚石的屈服强度”。应用物理杂志50, 3354年。https://doi.org/10.1063/1.326378

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压力来了:固体基质如何保持压力…或不

考虑一个有半径的球形粒子r_p美元施加的压力$ P $在周围的固体矩阵上。如果没有来自外部的平衡压力，来自内部的压力就会产生压应力\ sigma_c美元在径向上有拉应力\ sigma_t美元在两个正交的方向上(沿与粒子同心的球体)通过周围固体的自愿性。如下图所示，这两个分量都随着距离粒子距离的立方而减小，因此在粒子表面的大小最大。这是负压应力$ p $正拉应力为+ P / 2美元．

我们可以应用冯·米塞斯屈服准则，该准则规定周围的基质屈服，从而减少保留的压力，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 $是应力张量的三个正交主分量。在这里$ \ sigma_1 = \ sigma_c = - p $而且$ \ sigma_2 = \ sigma_3 = \ sigma_t = + P / 2美元，从而得到屈服准则

$ P \通用电气(2/3)(y)美元

对于屈服强度为35 GPa的钻石晶格，这意味着钻石可以在冰VII包裹体周围承受高达23 GPa的压力，而大多数其他矿物的屈服应力远低于1 GPa，因此无法保持足够的压力来维持冰VII或其他GPa压力相包裹体。