一颗钻石带来地球深处的秘密

▲当代自然杂志封面

▲研究中涉及的一些蓝钻石图片:自然，史密瑟等，2018

■任芳燕，本报见习记者

昂贵的钻石通常被视为浪漫爱情的象征。八月，一颗天然蓝色钻石出现在《自然》杂志的封面上，不是因为它有多浪漫，而是因为它背后的“大量信息”。

中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究实验室的研究员范·说，人们可以发射卫星并知道外行星的存在，但他们对地球内部的了解要弱得多。

地核和地幔是如何变化和移动的？地球表面的元素是如何被带到地球的深处，并回到地下数百公里的地方的？

范告诉《中国科学新闻》，研究钻石和包裹在其中的矿物可以为人们了解地球的深度和它的演化提供许多想法。

“冷静”信使

从闪亮的钻石和黑色石墨到人体内的蛋白质，碳元素在地球上有着不断变化的形式，由于原子的不同排列和分布，它们具有不同的性质。

俗话说，“没有金刚钻，不要管瓷器”。范说，钻石实际上就是钻石，它可以维持亚稳定状态数亿年。包裹在钻石中的矿物质不会受到温度、压力和其他因素的影响，从而达到新的化学平衡。

为什么钻石在本质上如此“平静”？这与其环境的“巨大压力”有关。

在地球内部每千米深处，压力增加27.5兆帕，相当于275个大气压。在距地表约150~200公里的上地幔岩石圈和软流圈交界处，压力约为45000 ~ 60000个大气压，随着1000℃以上的高温，钻石成为最稳定的碳形式。

范说，20世纪80年代末，研究人员先后在地球深部发现了钻石包裹体，其形成深度至少为700公里，即位于下地幔。

这里的钻石更容易稳定生长，体积更大，透明度更好，因此是研究深部地质的直接对象范对说道。

正是因为钻石拥有如此“真正的技能”，它们才能够承担起“信使”的责任。

穿越“蛋壳”

中国科学院地质与地球物理研究所地球物理与行星物理实验室副研究员张驰告诉《中国科学日报》:“越来越多的证据表明，人们在地球表面看到的现象往往与地球深处的运动密切相关。”

然而，在半径为6371公里的地球上，人类在地球上钻的最深的洞不超过10000米。如果我们把地球比作一个鸡蛋，人类目前唯一能直接接触到的部分就是“蛋壳”。

钻石如何帮助人们理解“蛋壳”下的神秘？科学家通过高温高压实验和热力学模型计算，推测下地幔的主要成分之一是一种钙钛矿结构的硅酸盐。因为它们在正常压力下是亚稳态的，所以这些物质在表面上非常罕见。

今年3月，发表在《自然》杂志上的一项研究发现，来自南非库里南矿的一颗钻石含有硅酸钙(CaSiO3)，并保留了高压钙钛矿结构，证明了之前的推测。

在8月初发表在《自然》杂志上的一篇封面文章中，美国宝石协会(GIA)的研究人员和合作者发现，存在钙钛矿结构的硅酸盐结构残余物，这些残余物与下地幔的主要成分一致，并通过研究天然蓝钻石(如“库里南之梦”)从地球深处证明了它们的“身份”。

此外，在蓝钻石中也发现了硼。这种主要存在于地表的轻元素是如何进入下地幔的？张驰说，这很可能意味着原本位于地表的硼由于板块碰撞和俯冲而进入地幔，然后随着岩浆活动与蓝钻石一起返回地表。“这反映了元素在地表和地球深部之间复杂的迁移和循环过程。”张驰补充道。

看清“真诚”

科学家如何看待钻石中如此大量的信息？张驰说，需要不同的方法来研究金刚石包裹体的矿物组成和微观结构。例如，在上面提到的研究中，美国宝石协会的科学家主要采用了一种叫做激光拉曼光谱的技术。

该技术快速、简单、无破坏性，能够快速识别相并精细分析物质的化学结构。

张驰介绍说拉曼光谱是光的非弹性散射。当光通过一种特定的物质时，一些散射光的能量会有轻微的变化，这种变化与相应的化学结构有关。将激光聚焦在金刚石包裹体上可以获得相应的光谱信息。由于不同的物质结构，所获得的信息也不同，“因此可以分析金刚石包裹体中存在的矿物形式和流体成分”。

此外，研究人员还可以利用钻石内含物中的残余压力，通过热力学计算和其他方法来降低捕获钻石的环境压力条件，从而进一步确定钻石的来源深度。

范·说，研究金刚石等包裹体的元素含量，可以恢复金刚石源区的矿物和岩石学特征，以及地幔流体和地幔过程的特征，“这对于探索地球的深部演化、气候变化和化石能源的起源具有重要意义”

相关文件信息:DOI:DOI:10.1038/自然25972

DOI:10.1038/s 11586-018-0334-5

中国科学新闻(2018-09-03第四版综合)