作者: 任芳言 来源:中国科学报 发布时间:2018/9/3 10:42:48
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一颗钻石带来地球深处的秘密

▲当期《自然》杂志封面

▲研究所涉及的部分蓝钻 图片来源:Nature,Smithet al., 2018

■本报见习记者 任芳言

昂贵的钻石往往被视为浪漫爱情的象征。8月,一颗天然蓝钻登上《自然》杂志的封面,不是因为它有多浪漫,而是因其背后的“巨大信息量”。

在中科院地质与地球物理研究所矿产资源研究实验室研究员范宏瑞看来,人们可以发射卫星,知晓天外星球的存在,但对地球内部的了解却薄弱得多。

地球的内核和覆盖层是怎样变迁运动的?地表的元素是如何被带到地球深处,再从地下数百千米返回至地上的?

范宏瑞告诉《中国科学报》记者,研究钻石及其包裹的矿物质,能为人们了解地球深部和地球演化提供许多思路。

“淡定”信使

从闪闪发光的钻石、黑乎乎的石墨再到人体内的蛋白质,碳元素在地球上的形态千变万化,因原子排列分布不同而性质各异。

俗话说“没有金刚钻,别揽瓷器活”。范宏瑞表示,钻石其实就是金刚石,能够保持亚稳定状态上亿万年,被包裹在钻石内部的矿物才不会受温度、压力等因素影响,从而达到新的化学平衡。

钻石为何能在自然界中如此“淡定”?这跟它诞生的环境“压力山大”有关。

地球内部每深入1千米,压力就会增加27.5兆帕斯卡,相当于275个大气压。在上地幔岩石圈和软流层的交界处,大约距地表150~200千米,压力约为4.5万~6万个大气压,且伴随着1000℃以上的高温,钻石就成为碳最稳定的存在形式。

范宏瑞表示,20世纪80年代末,研究者在钻石中陆续发现了来自地球更深处的包裹体,其形成深度至少达700千米,即位于下地幔。

“这里的金刚石更有可能稳定生长,体积更大,净度也更好,因此是用来研究深部地质的直接对象。”范宏瑞说。

正因为钻石有这样的“真本事”,才能承担起“信使”的责任。

穿越“蛋壳”

中科院地质与地球物理研究所地球与行星物理实验室副研究员张驰告诉《中国科学报》记者:“越来越多的证据表明,人们在地球表层看到的现象,往往与地球深处的运动有密切联系。”

可是在半径为6371千米的地球上,人类向地下钻出的孔最深不过1万多米。若将地球比作鸡蛋,人类目前能直接抵达的部分只有“蛋壳”。

钻石如何帮助人们了解“蛋壳”之下的奥秘?科学家通过高温高压实验、热力学模型计算等手段推测,下地幔的主要成分之一是一类具有钙钛矿结构的硅酸盐。因为在常压下处于亚稳状态,这类物质在地表非常罕见。

今年3月,一项发表在《自然》上的研究发现,一颗来自南非库里南矿的钻石内部含有钙硅酸盐(CaSiO3),且保留了高压钙钛矿结构,论证了先前推测。

在8月初发表于《自然》杂志的封面文章中,美国宝石协会(GIA)的研究者与合作者通过研究“库里南之梦”等天然蓝钻,发现其中有钙钛矿结构的硅酸盐结构残余,与下地幔的主要成分相吻合,证明了它们从地球深处来的“身份”。

此外,研究还发现蓝钻中存在硼元素。这种主要存在于地表的轻元素是如何进入下地幔的?张驰表示,这极有可能意味着原来位于地表的硼由于板块碰撞和俯冲进入地幔,再伴随岩浆活动与蓝钻一同返回地表。“这体现了元素在地表和地球深部之间复杂的迁移循环过程。”张驰补充道。

看清“真心”

钻石内部如此大的信息量,科学家是怎么看出来的?张驰表示,研究钻石包裹体中的矿物成分和微观结构,需要用到不同方法。比如前文提到的研究中,美国宝石协会的科学家主要采用了一种名为激光拉曼光谱检测的技术。

这种技术快速、简便且无损,能够迅速鉴定物相、精细地分析物质化学结构。

张驰介绍,拉曼光谱是一种光的非弹性散射。光在通过特定物质时,部分散射光的能量会发生微小的变化,而这种变化与对应的化学结构相关。将激光聚焦在钻石包裹体上,即可获得相应的光谱信息。由于物质结构不同,获取到的信息也不一样,“因此能分析出钻石包裹体内存在的矿物形式和流体组成”。

此外,研究者还可利用钻石包裹体内的残余压力,通过热力学计算等方法,还原出钻石捕获时所处环境的压力条件,进一步确定钻石的来源深度。

范宏瑞表示,研究钻石等包裹体矿物的元素含量能够反演金刚石源区的矿物、岩石学特征,以及地幔流体特征和地幔过程,“这对探索地球深部演化、气候变化、化石能源成因等问题都具有重要意义”。

相关论文信息: DOI:10.1038/nature25972

DOI:10.1038/s41586-018-0334-5

《中国科学报》 (2018-09-03 第4版 综合)
 
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