2018 年 3 月，《科学》杂志刊登了一篇关于钻石内部包裹体的研究。团队用 X 射线衍射和拉曼光谱，在天然钻石内部几微米宽的空腔里确认了冰 VII 这种物相。包裹体肉眼看不到，要把钻石切成薄片，放到同步辐射光源的束线下扫描。论文作者来自内华达大学拉斯维加斯分校、芝加哥大学等单位，样本取自世界多地的钻石。冰 VII 此前只在金刚石压砧里人工合成过，在天然样品中被记录，这是第一次。

冰 VII 的结构在高压实验文献里有记录。氧原子排成两套相互穿插的立方骨架，氢原子在其中无序分布，同样体积里塞进的水分子比地表常见的六角冰更多，密度高出五成以上。实验室里制取它，需要把水压到 2 吉帕以上，约两万个大气压，同时保持室温。

钻石能把这些冰留住，要从它结晶的位置说起。天然钻石大多在地下一百五十到两百公里的地幔里形成，压力 4 到 6 吉帕，温度一千摄氏度以上。在这个环境里，水是超临界流体，能溶进硅酸盐熔体，也会被正在生长的钻石捕获。一旦封进钻石，包裹体与外界隔绝，物质出不去，也进不来。

关键是钻石的刚性。钻石晶格在包裹体周围几乎不发生塑性变形，空腔体积基本固定。钻石被岩浆带到地表，周围压力降到常压，包裹体内部的压力因为体积不变而部分保留，仍在吉帕量级。水在这个压力下不会汽化，降温后结晶成冰 VII。研究者用拉曼光谱谱峰的位移量反推包裹体压力，再用 X 射线衍射的晶格参数确认物相。

这批样本给出一条地质信息。地幔里的水以什么形式存在，长期缺少直接样品。含水矿物能把水带下去，林伍德石、瓦兹利石、蛇纹石都有储水能力，但容量有限，不同实验室测出的数值也有差距。钻石包裹体里出现高压水相，说明地幔某些区域有游离的含水流体，水可以不依附矿物晶格独立存在。有模型据此推算地球深部的水总量相当于地表海洋的若干倍，也有模型给出小得多的数字，差别来自地幔对流规模、俯冲带水通量这些参数，目前没有统一结论。

冰的相图往上还有别的区域。压力升到十几吉帕、温度上千开尔文，冰 VII 转成冰 X，氧原子骨架变得对称，氢原子位置高度无序。再往高温高压走，理论计算预言存在超离子冰，氧原子固定在晶格上，氢原子像液体一样在骨架间流动，整块冰能导电。2019 年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的团队用激光冲击压缩水样，在纳秒级时间窗口里做 X 射线衍射，观测到氧原子形成体心立方晶格，氢原子同时处于流动状态，论文发表在《自然》。

天王星和海王星内部有大量水、氨、甲烷的混合物。行星模型里，几千公里深处的水处在几十吉帕、几千开尔文的区间，落在超离子冰的稳定范围。这两颗行星的磁场轴相对自转轴倾斜明显，磁极也不在几何极点上，导电的超离子冰层被拿来解释这种磁场结构。实验室做出的样品只有纳秒寿命、微米尺度，行星内部那一层维持了几十亿年。

钻石在这类研究里一直充当工具。金刚石压砧把两颗钻石的砧面相对，中间夹住样品，加压后能承受几百吉帕，钻石透光，方便用光谱和衍射探测。2018 年那批天然钻石包裹体，等于一个封好、保存了几亿年的高压容器，实验者不用自己加压，只需要制备样品观察。

关于这些包裹体的性质，学界还在讨论。钻石上升过程中包裹体压力会部分释放，测到的数值与形成时的真实压力有差距，需要用弹性模型校正，校正方式不同，推算出的结晶深度也会变。包裹体是否为原生、有没有在后来的地质过程中被改造，也要逐颗检查，不同实验室对同批样本的解释并不完全一致。

一枚切面钻石在柜台灯光下，看不出里面封着水。要看到冰 VII，得把样品制备到微米级，放进同步辐射束线站，用单色 X 射线打过去，记录衍射环的位置。那些衍射点对应的，是水分子在地下一百多公里处被压成的另一种排列。