来自 时代科技 2019-10-03 16:11 的文章
当前位置: 金沙澳门官网4066 > 时代科技 > 正文

含硼蓝钻形成于地下至少六百六十公里处,科学

据英国《自然》杂志8月1日发表的一项最新研究,科学家通过数十万种样本的筛查,认为含硼蓝钻可能是有史以来来源最深的钻石之一。它们确定形成于至少660公里的地下深处,这里属于地球内部名为下地幔的部分,其地球化学历史将有助于揭示地球的地壳物质循环程度。

图片 1

科学家找到了天然蓝钻的诞生地

地表物质通过板块构造运动再循环到地幔中。但是,地壳物质循环程度一直难以确定。不过,罕见的蓝色含硼钻石,如著名的“希望之钻”,带来了地表物质可能发生深度循环的证据——硼元素主要存在于地壳,这导致它在形成钻石的地幔流体中的存在显得较为神秘,并暗示与地壳存在联系。然而,由于钻石稀有而珍贵,而且它们普遍缺乏能够指示其形成的矿物包裹体,因此较难确定它们的来源。

当期《自然》杂志封面

北京8月4日电 天然蓝钻也许是地球“藏”得最“深”的秘密。一个国际科研团队发现,这种稀有钻石诞生于地幔深处,而使它们呈现蓝色的硼元素可能是板块运动从地壳运送到地幔中的。

此次,美国宝石研究院科学家伊万·史密斯及其同事,使用拉曼光谱仪表征了46种IIb型钻石的稀有矿物包裹体,筛选了数十万种潜在样品。源自稳定的陆壳和上地幔的钻石通常含有硅酸盐或硫化物包裹体,而蓝钻所含的矿物相,却通常是在海洋板块俯冲到下地幔后才会有的,这使得IIb型钻石很可能成为了来源最深的钻石。

图片 2

美国宝石学院主导的这项研究显示,蓝色钻石可能成为一种独特工具,帮助研究地壳与深层地幔之间的物质流动。

此外,这类钻石的一些包裹体周围存在氢和甲烷流体,标志着原始矿物的水合作用。在海洋板块俯冲期间最有可能保持稳定的硼源是蛇纹岩,它可以蕴藏水,因此这些发现同时也揭示了水循环进入地球深层的潜在主要通道。

研究所涉及的部分蓝钻图片来源:Nature,Smithetal.,2018

研究人员分析了46块蓝色钻石内部的杂质,发现了一些特殊的矿物组合,它们只有在地幔下层才能形成。迄今发现的其他钻石大多来自地幔上层。

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”。

地球表面是厚几十千米的地壳,往下是厚约2900千米的地幔。地幔分为上下两层,分界线位于约660千米深处。天然钻石都是在地幔中的高温高压下形成的,由火山活动运送到地表,其中包裹的杂质是研究地幔物质的“窗口”。

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。

研究小组在新一期英国《自然》杂志上发表论文说,光谱分析显示,蓝钻里最常见的杂质是瓦硅钙钡石结构的硅酸钙,有时伴生着斜硅钙石,还有镁铁硫石和布氏岩在高温高压下退化而成的物质等。杂质特征显示,部分蓝钻诞生于660千米至750千米深处,即下地幔的上层。

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?

然而,硼元素在地幔里含量极低,蓝钻里的硼来自何处?研究人员提出,地壳岩石中的硼溶解在海水里,与矿物发生反应形成蛇纹石。地壳板块发生碰撞时,含有蛇纹石的板块俯冲到另一个板块下方,导致含硼矿物下沉至地幔。

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。

特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。

“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,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

(原载于《中国科学报》2018-09-03第4版综合)

本文由金沙澳门官网4066发布于时代科技,转载请注明出处:含硼蓝钻形成于地下至少六百六十公里处,科学

关键词: