一顆鉆石帶來地球深處的秘密

　　昂貴的鉆石往往被視為浪漫愛情的象征。8月，一顆天然藍鉆登上《自然》雜志的封面，不是因為它有多浪漫，而是因其背后的“巨大信息量”。

　　在中科院地質與地球物理研究所礦產資源研究實驗室研究員范宏瑞看來，人們可以發射衛星，知曉天外星球的存在，但對地球內部的了解卻薄弱得多。

　　地球的內核和覆蓋層是怎樣變遷運動的？地表的元素是如何被帶到地球深處，再從地下數百千米返回至地上的？

　　范宏瑞告訴《中國科學報》記者，研究鉆石及其包裹的礦物質，能為人們了解地球深部和地球演化提供許多思路。

　　“淡定”信使

　　從閃閃發光的鉆石、黑乎乎的石墨再到人體內的蛋白質，碳元素在地球上的形態千變萬化，因原子排列分布不同而性質各異。

　　俗話說“沒有金剛鉆，別攬瓷器活”。范宏瑞表示，鉆石其實就是金剛石，能夠保持亞穩定狀態上億萬年，被包裹在鉆石內部的礦物才不會受溫度、壓力等因素影響，從而達到新的化學平衡。

　　鉆石為何能在自然界中如此“淡定”？這跟它誕生的環境“壓力山大”有關。

　　地球內部每深入1千米，壓力就會增加27.5兆帕斯卡，相當于275個大氣壓。在上地幔巖石圈和軟流層的交界處，大約距地表150~200千米，壓力約為4.5萬~6萬個大氣壓，且伴隨著1000℃以上的高溫，鉆石就成為碳最穩定的存在形式。

　　范宏瑞表示，20世紀80年代末，研究者在鉆石中陸續發現了來自地球更深處的包裹體，其形成深度至少達700千米，即位于下地幔。

　　“這里的金剛石更有可能穩定生長，體積更大，凈度也更好，因此是用來研究深部地質的直接對象。”范宏瑞說。

　　正因為鉆石有這樣的“真本事”，才能承擔起“信使”的責任。

　　穿越“蛋殼”

　　中科院地質與地球物理研究所地球與行星物理實驗室副研究員張馳告訴《中國科學報》記者：“越來越多的證據表明，人們在地球表層看到的現象，往往與地球深處的運動有密切聯系。”

　　可是在半徑為6371千米的地球上，人類向地下鉆出的孔最深不過1萬多米。若將地球比作雞蛋，人類目前能直接抵達的部分只有“蛋殼”。

　　鉆石如何幫助人們了解“蛋殼”之下的奧秘？科學家通過高溫高壓實驗、熱力學模型計算等手段推測，下地幔的主要成分之一是一類具有鈣鈦礦結構的硅酸鹽。因為在常壓下處于亞穩狀態，這類物質在地表非常罕見。

　　今年3月，一項發表在《自然》上的研究發現，一顆來自南非庫里南礦的鉆石內部含有鈣硅酸鹽（CaSiO3），且保留了高壓鈣鈦礦結構，論證了先前推測。

　　在8月初發表于《自然》雜志的封面文章中，美國寶石協會（GIA）的研究者與合作者通過研究“庫里南之夢”等天然藍鉆，發現其中有鈣鈦礦結構的硅酸鹽結構殘余，與下地幔的主要成分相吻合，證明了它們從地球深處來的“身份”。

　　此外，研究還發現藍鉆中存在硼元素。這種主要存在于地表的輕元素是如何進入下地幔的？張馳表示，這極有可能意味著原來位于地表的硼由于板塊碰撞和俯沖進入地幔，再伴隨巖漿活動與藍鉆一同返回地表。“這體現了元素在地表和地球深部之間復雜的遷移循環過程。”張馳補充道。

　　看清“真心”

　　鉆石內部如此大的信息量，科學家是怎么看出來的？張馳表示，研究鉆石包裹體中的礦物成分和微觀結構，需要用到不同方法。比如前文提到的研究中，美國寶石協會的科學家主要采用了一種名為激光拉曼光譜檢測的技術。

　　這種技術快速、簡便且無損，能夠迅速鑒定物相、精細地分析物質化學結構。

　　張馳介紹，拉曼光譜是一種光的非彈性散射。光在通過特定物質時，部分散射光的能量會發生微小的變化，而這種變化與對應的化學結構相關。將激光聚焦在鉆石包裹體上，即可獲得相應的光譜信息。由于物質結構不同，獲取到的信息也不一樣，“因此能分析出鉆石包裹體內存在的礦物形式和流體組成”。

　　此外，研究者還可利用鉆石包裹體內的殘余壓力，通過熱力學計算等方法，還原出鉆石捕獲時所處環境的壓力條件，進一步確定鉆石的來源深度。

　　范宏瑞表示，研究鉆石等包裹體礦物的元素含量能夠反演金剛石源區的礦物、巖石學特征，以及地幔流體特征和地幔過程，“這對探索地球深部演化、氣候變化、化石能源成因等問題都具有重要意義”。