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當科學家發現了一顆鑽石……

一提到鑽石,你會想到什麼?炫彩奪目、異常堅硬?還是那句標語「鑽石恆久遠,一顆永流傳」?或者立刻讓你聯想到美好的愛情?

但,鑽石的背後不僅僅只有這些……

今天要說的是一位科學家發現了一顆鑽石后的故事。

一顆與眾不同的鑽石

幾年前,加拿大阿爾伯塔大學的地球化學家格雷厄姆·皮爾森(Graham Pearson)教授,去巴西Juı′na地區某鑽石礦考察,在鑽礦河流下游找到一顆粒徑約5mm的淺棕色金剛石。

皮爾森教授發現這顆金剛石表面呈現高程度的溶蝕特徵,並具有明顯的塑形變形特徵;進行紅外光譜分析后,發現這顆金剛石中氮元素含量很低,這些特徵均指示,這顆金剛石是來源特別深的金剛石。

圖:金剛石及其中包裹的微細物質

經過細緻觀察,皮爾森教授的團隊還發現金剛石中包裹著一些微細的物質。

對這些微細物質進行激光拉曼分析,確定為細粒的林伍德石(ringwoodite)和瓦士利石(wadsleyite),而這兩種礦物是上地幔與下地幔之間過渡帶中的主要組成礦物。

註:激光拉曼儀器可在微觀尺度有效確定礦物種類

繼續對林伍德石進行紅外光譜分析,皮爾森教授的研究團隊計算出其含水量至少可達到1.4wt%(註:wt%為重量百分比)。根據這些信息,他們進而指出,地幔中過渡帶是富水的。

2014年3月,他的研究團隊將這項研究成果發表在了《Nature》雜誌上,題目為《Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond》(譯為《由金剛石中的林伍德石揭示的富水地幔過渡帶》)。

發現了一顆鑽石,發表了一篇Nature。

可以,這很強勢。

話說這篇文章,當時可是在媒體上引起了不小的轟動。但並不是因為皮爾森教授發現鑽石后,沒有第一時間上交國家。媒體爭相報道時,打出的都是「地幔中發現巨大水庫」、「地幔中存在海洋」等吸引公眾目光的標題,不免有嘩眾取寵之嫌。

因為作者在論文中壓根沒提地幔存在大水庫、體積超過地面海洋的事,大概是媒體參照地幔體積與地表海洋水體積自行計算的。

但是,作者的研究僅僅指出上地幔與下地幔之間的過渡帶富水;而整個地幔是不均一的,地幔不同圈層、不同部位的含水性可能有較大差異。並且,水在地幔中的存在形式也完全不同,也根本不可能形成所謂的「海洋」。

其實這個研究本身還是很有意思的。

在這裡,我們先簡單說一下地幔的概念

地幔,作為地球內部的重要組成部分,認為是岩漿的起源地;對地殼的運動核演化、地表岩石和地形的形成起到重要的作用。

地球內部結構圖(圖片來源於維基百科,並進行了修改)

地幔是地球的圈層之一,位於地殼和地核中間;分為上地幔(地殼以下至410 km),下地幔(660–2891 km)和中間的過渡帶(410–660 km)。

其實早在這篇論文之前,已經有不少論文研究了金剛石和金剛石中包裹的礦物:

例如,2011年10月,發表在《Science》雜誌上的《Deep Mantle Cycling of Oceanic Crust: Evidence from Diamonds and Their Mineral Inclusions》(譯為《地幔深部洋殼的循環:來自金剛石和其中礦物包體的證據》)一文。

作者同樣是取自巴西相同鑽礦的金剛石,其中包裹的微粒礦物組合雖然是上地幔常見的礦物組合,但是微粒礦物組合展示出來的出溶結構指示,其最初形成於700至1400千米深度的下地幔中的均一礦物相在向上地幔運輸的過程中出溶形成的礦物組合。

因此,金剛石中最初包裹的物質來源於很深的下地幔。

同時,作者對金剛石進行碳同位素分析,示蹤金剛石中碳元素的來源,發現金剛石中的碳同位素與地表海洋有機碳的碳同位素相同,指示金剛石中的碳元素來源於俯衝進入下地幔的洋殼,指示洋殼循環進入了下地幔的深度。

註:地殼分為洋殼和陸殼,且地殼不是靜止不動的,它們之間會進行移動,洋殼會向下進入陸殼之下

圖:洋殼俯衝到下地幔深度

從上面兩篇論文中,我們可以發現,金剛石是研究地球內部的有效媒介,為什麼如此呢?

我們得從金剛石如何形成,又如何形成金剛石礦這個過程說起。

金剛石及金剛石礦如何形成?

金剛石的組成元素是碳,與我們日常接觸得到的石墨組成元素相同,他們之間在礦物學上稱為同質多象

註:同質多象與化學上的同素異形體概念相近

我們知道,石墨只有在高溫高壓的條件下才可能轉變為金剛石,而這樣的條件是需要達到上地幔的深度。

下地幔中碳元素含量相對高,水含量較高,相比上地幔為更氧化的條件;而上地幔中碳元素含量低,水含量低,為更還原的條件。

上地幔和下地幔碳元素含量以及條件的差異,導致金剛石的碳元素更可能來源於下地幔;而上地幔由於水含量更低,更還原的條件,則更利於保存金剛石。

下地幔的碳元素跟隨地幔中垂直的岩漿活動,進入過渡帶或者上地幔中,這個過程中金剛石形成;並在更還原條件下的上地幔中保存。因此,金剛石在生長過程中可能會包裹進來自下地幔、過渡帶或者上地幔的物質。

圖:金剛石形成於地幔環境示意圖

上地幔與下地幔之間碳元素含量的差異以及氧化還原條件、水含量的差異使不同區域在形成金剛石的職能不同;下地幔提供原料,過渡帶和上地幔保存。圖中的Plume即為向上運移的岩漿;圖中垂直黑線也表示向上運移的岩漿,為下文的金伯利岩的岩漿

那麼,形成於這麼深的過渡帶和上地幔中的金剛石是如何到達我們近地表的位置呢?

金伯利岩——讓金剛石礦從內部「走」出來

其實,世界上絕大多數的金剛石礦都與一種特殊的岩漿岩石有關,這種岩石叫金伯利岩(Kimberlite)

註:金伯利是南非的一個小鎮,這裡曾產出了83.5克拉重的非洲之星鑽石。

金伯利岩在自然界中分佈很少,是一種不常見的岩石類型。但是金伯利岩無論在研究地球深部,還是國民經濟中都佔有重要地位。

圖:金伯利岩照片

角礫混雜是金伯利岩的典型特徵之一,指示岩漿在近地表發生爆破,使不同物質混雜在一起,伴隨岩漿冷卻形成岩石。

金伯利岩石是自然界起源最深的岩漿岩石之一,它主要起源於上地幔,最初的岩漿可能起源於地幔中的過渡帶。

來自於上地幔或地幔過渡帶的岩漿以「細長的管道」形式向上運輸,到達地殼淺部,岩漿冷卻,形成金伯利岩。

金伯利岩漿在深部向上運輸的過程中即會捕獲已經形成的金剛石。

由於金伯利岩的岩漿以類似管道的形式向上運輸,且達到近地表淺部后,岩漿中的氣體、水等會發生出溶,產生爆破效應,因此,金伯利岩常成為下窄上寬的冰激凌筒狀

也是由於爆破,金伯利岩才會呈現出角礫混雜的特徵,這些角礫有地球深部的物質,也有近地表淺部的物質,當然,其中可能也包括金剛石。

圖:金伯利岩筒形成

金伯利岩筒多為典型的冰激凌形狀,底部為岩漿從深部運往淺部的通道

正是由於金伯利岩的岩漿起源於上地幔或過渡帶,岩漿在向上運輸的過程中常會捕獲地幔中的物質和金剛石,金伯利岩和金剛石之間才能有這麼密切的關係。

正因為這樣,金剛石礦的開採多沿著金伯利岩筒進行。長期的開採會形成壯觀的圓形天坑。如俄羅斯的和平鑽石礦(Mir Mine),形成了一個525米深,圓筒直徑達1200米寬的天坑,被媒體戲稱為「地獄之門」

圖:俄羅斯和平鑽孔采坑

其實,金伯利岩本身攜帶的來自於地幔深部的物質,也為科學家研究地球深部提供了重要的視角。但是金剛石中包裹的微粒物質,由於受到金剛石這層堅硬外殼的保護,它的真實面貌可能更容易被保存了下來,對它們的研究也更能反映地球深部的真實信息。

參考文獻:

Pearson, D. G., Brenker, F. E., Nestola, F., Mcneill, J., Nasdala, L., & Hutchison, M. T., et al. 2014. Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond. Nature, 507(7491), 221.

Walter, M. J., Kohn, S. C., Araujo D, Bulanova, G. P., Smith, C. B., & Gaillou, E., et al. 2011. Deep mantle cycling of oceanic crust: evidence from diamonds and their mineral inclusions. Science, 334(6052), 54-7.

Harte, B. 2011. Geochemistry. diamond window into the lower mantle. Science, 334(6052), 51.

Robb, L. 2005. Introduction to ore-forming processes. Blackwell Pub, 30-33.

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