今天要说的是一位科学家发现了一颗钻石后的故事。

    一颗与众不同的钻石

    几年前，加拿大阿尔伯塔大学的地球化学家格雷厄姆·皮尔森教授，去巴西Ju1′na地区某钻石矿考察，在钻矿河流下游找到一颗粒径约5mm的浅棕色金刚石。

    皮尔森教授发现这颗金刚石表面呈现高程度的溶蚀特征，并具有明显的塑形变形特征；进行红外光谱分析后，发现这颗金刚石中氮元素含量很低，这些特征均指示，这颗金刚石是来源特别深的金刚石。

    经过细致观察，皮尔森教授的团队还发现金刚石中包裹着一些微细的物质。

    对这些微细物质进行激光拉曼分析（注：激光拉曼仪器可在微观尺度有效确定矿物种类），确定为细粒的林伍德石和瓦士利石，而这两种岩石是上地幔与下地幔之间过渡带中的主要组成矿物。

    继续对林伍德石进行红外光谱分析，皮尔森教授的研究团队计算出其含水量至少可达到1.4wt%（注：wt%为重量百分比）。根据这些信息，他们进而指出，地幔中过渡带是富水的。

    在这里，我们先详细说一下什么是地幔。

    地幔，作为地球内部组成的重要部分，对地球表面岩石和地形的演化具有重要的作用。

    地幔是地球的圈层之一，位于地壳和地核中间；分为上地幔（地壳以下至410km），下地幔（660–2891km）和中间的过渡带（410–660km）。

    下地幔中碳元素含量相对高，水含量较高，相比上地幔为更氧化的条件；而上地幔中碳元素含量低，水含量低，为更还原的条件。

    因此，金刚石中最初包裹的物质来源于很深的下地幔。

    同时，作者对金刚石进行碳同位素分析，示踪金刚石中碳元素的来源，发现金刚石中的碳同位素与地表海洋有机碳的碳同位素相同，指示金刚石中的碳元素来源于俯冲进入下地幔的洋壳，指示洋壳循环进入了下地幔的深度。

    （注：地壳分为洋壳和路桥，且地壳不是静止不动的，它们之间会进行移动，洋壳会向下进入陆壳之下）

    从上文中，我们可以发现，金刚石是研究地球内部的有效媒介，为什么如此呢？

    我们得从金刚石如何形成，又如何形成金刚石矿这个过程说起。

    金刚石及金刚石矿如何形成？金刚石的组成元素是碳，与我们日常接触得到的石墨组成元素相同，他们之间在矿物学上称为同质多象。

    （注：同质多象与化学上的同素异形体概念相近）

    我们知道，石墨只有在高温高压的条件下才可能转变为金刚石，而这样的条件是需要达到上地幔的深度。

    上地幔和下地幔碳元素含量以及条件的差异，导致金刚石的碳元素更可能来源于下地幔；而上地幔由于水含量更低，更还原的条件，则更利于保存金刚石。

    下地幔的碳元素跟随地幔中垂直的岩浆活动，进入过渡带或者上地幔中，在这个过程中金刚石形成；并在更还原条件下的上地幔中保存。因此，金刚石在生长过程中可能会包裹进来自下地幔、过渡带或者上地幔的物质。

    上地幔与下地幔之间碳元素含量的差异以及氧化还原条件、水含量的差异使不同区域在形成金刚石的职能不同；下地幔提供原料，过渡带和上地幔保存。

    那么，形成于这么深的过渡带和上地幔中的金刚石是如何到达我们近地表的位置呢？

    金伯利岩——让金刚石矿从内部“走”出来

    其实，世界上绝大多数的金刚石矿都与一种特殊的岩浆岩石有关，这种岩石叫金伯利岩。

    （注：金伯利是南非的一个小镇，这里曾产出了83.5克拉重的非洲之星钻石。）金伯利岩在自然界中分布很少，是一种不常见的岩石类型。但是金伯利岩无论在研究地球深部和国民经济中都占有重要地位。

    角砾混杂是金伯利岩的典型特征之一，指示岩浆在近地表发生爆破，使不同物质混杂在一起，伴随岩浆冷却形成岩石。

    金伯利岩石是自然界起源最深的岩浆岩石之一，它主要起源于上地幔，最初的岩浆可能起源于地幔中的过渡带。

    来自于上地幔或地幔过渡带的岩浆以“细长的管道”形式向上运输，到达地壳浅部，岩浆冷却，形成金伯利岩。金伯利岩浆在深部向上运输的过程中即会捕获已经形成的金刚石。

    （作者单位：中国科学院地质与地球物理研究所）