巨型钻石：来自地球深处的信使

每颗钻石都讲述了一个引人入胜的故事，来自地层深处拳头大小的钻石并不仅仅象征着财富，或许还会揭示地球古老、不为人知的秘密。

前不久，笔者所在高压学科的老朋友，来自卡内基科学研究所的地球化学家 Steven Shirey团队在AGU Advances 上发表论文 ^[1]，提出巨型钻石可能是超深地震的关键，随后Science 为此作出评述 ^[2]。无独有偶，哥伦比亚大学的Yaakov Weiss团队在Nature Communications 上发表文章 ^[3]，发现钻石中隐藏着地球深处几十亿年的历史信息。钻石作为来自地球深处的信使，想要告诉我们什么？让我们来一探究竟。

众所周知，天然钻石是在高温高压的深层地下环境由石墨等碳单质相变而来，再由火山喷发等形式逐渐搬运到地表。尽管你的戒指或项链上的钻石很漂亮，但在地质学家和地球化学家的眼里，这些闪亮的也就只是珠宝而已。他们更爱那些不那么纯净、不那么透明的天然钻石。在天然钻石的成核和生长过程中，往往会有一些周围矿物杂质掺入，形成包裹体，这些包裹体也可能含有少量的水。这些包裹体对地质学家和地球化学家来说具有很大的意义，分析其中的杂质可以让科学家了解钻石的年龄以及它的形成环境和条件，从而进一步揭示地层深处的秘密。

图1. 含有矿物杂质包裹体的天然钻石原石和切割抛光后的IIa型钻石以及内部包裹体表征分析。图片来源：AGU Adv. ^[1]

根据大多数基于板块挤压碰撞的地球物理模型来讲，地下超过300公里的地层由于极端的高温高压环境是不会发生地震的，然而实际上，这种超深地震却非常多。对于这种超深地震，除了某些矿物由于高压相变导致突然发生体积坍缩导致地震的解释外，还有一个原因可能是从地球深处的岩层中释放出的水，这可能会削弱附近的其他岩石，使它们更容易断裂。但关键是，研究人员尚不清楚这些水来自哪里。

卡内基科学研究所的Shirey团队从钻石中找到了答案。研究人员通过构建可追踪到地幔过渡带深度的俯冲板块热模型，将压力/温度（P/T）条件与实验确定的地幔水合/碳酸化矿物联系起来，阐明了来自与深层地震相同深度的巨型钻石中包含的地幔矿物的合成路径，发现地壳中的脱碳/熔融反应和地幔中的脱水反应可以为地震发生区提供流体，表明流体会导致深层地震或与深层地震有关。

图2. 地壳到地幔500-700公里深度地震发生的脱水模型。图片来源：AGU Adv. ^[1]

该团队发现能够将水输送到致密含水硅酸镁中过渡带深度的板块与在500至700公里之间产生地震活动的板块之间存在显着的相关性。而这个深度范围也与模型预测的冷板块中的海洋地壳岩性与含碳酸盐玄武岩固相线相交以产生碳酸盐熔体的P/T条件相吻合。

而产自亚岩石圈的不规则 IIa 型钻石晶体中的包裹体则记录了水合或含碳酸盐板块的熔体、流体或超临界液体的存在，这种钻石的形成深度（~300-700 公里）通常与深源地震同时发生。因此认为，从这些深度的俯冲板块释放的含水和碳酸化流体削弱了周围的岩石并引发了超深地震。这种深层流体通常含有大量溶解的矿物质，也有助于形成该深度下具有不规则纹理形貌和包裹体结晶的巨型钻石。

图3.（a）含水橄榄岩的压力与温度图；（b）含水玄武岩和深层地震的P/T图。图片来源：AGU Adv. ^[1]

图4. 产自亚岩石圈的不规则 IIa 型钻石。图片来源：AGU Adv. ^[1]

而来自哥伦比亚大学的Yaakov Weiss团队通过分析这种钻石内部富含碳和水的液态包裹体，发现了不同钻石的形成时间，从而揭开了地球深处数十亿年的演化和历史。

测算年龄我们都知道同位素测定法，但钻石晶格中并不包含足够数量的任何放射性同位素。该小组研究了来自南非金伯利地区的戴比尔斯公司所建立的矿场的10颗天然钻石内部包含的固体或液体杂质，通过硅酸盐和硫化物包裹体的放射性同位素测定来获得其所在钻石的年龄以及它们生长的地质变更事件。

图5. 不同矿床含HDF包裹体钻石的氦含量和³He/⁴He比率。图片来源：Nat. Commun. ^[3]

目前大多数研究人员都集中在固体包裹体上，如微小的石榴石，以确定钻石年龄。但是，固体包裹体所显示的年龄可能是有争议的，因为这些固体杂质可能与钻石本身在同一时间形成，或后期包裹进去。而包裹的液体则是形成钻石本身的物质，通过分析这些封装在钻石内部的高密度超临界流体（high-density supercritical fluid，HDF），我们可以得到形成钻石的可靠年龄。

Yaakov Weiss团队通过测量液态包裹体杂质中放射性钍和铀的丰度，以及它们发生α衰变时产生氦的浓度，并考察了、(U-Th)/He 比率和钻石中氮聚集体之间的密切关系。考虑到的He可能发生扩散会影响⁴He/³He 比率随时间变化的关系，和 当地Kaapvaal 克拉通（稳定地块）的热和构造史，给出了钻石中He的最大扩散率D≈1.8 × 10^-19 cm² s^-1，从而得到了三个钻石形成年代的上下限，与之对应的是Kaapvaal 岩石圈西南部的三个变更事件，每个事件都由不同的流体介质引起。这些时期都发生在独立的岩体中，最终凝聚成今天的非洲。

图6. 扩散对不同He同位素的影响。1 Ga=1 x 10⁹年，即十亿年。图片来源：Nat. Commun. ^[3]

最古老的时期发生在26亿年至7亿年前的元古代。那时候液态包裹体显示出独特的碳酸盐矿物。这一时期也恰好是地表上巨大山脉的堆积期，这时候的钻石显然是由岩石碰撞和挤压而形成。研究人员说，这些碰撞可能与地层中富含碳酸盐液体的产生有关。而具体的产生方式则被上文Steven Shirey团队阐述清楚。

第二个钻石形成阶段则位于跨越了5.5亿至3亿年前的古生代，此时原非洲大陆继续重新排列。这类钻石的液体内含物显示有大量的硅矿物质，表明地下条件发生了变化。这一时期也与另一个主要的造山事件（如 Damara 和 Namaqua-Natal 造山带）相吻合。

图7. 产自Kaapvaal克拉通岩石圈西南部的含HDF包裹体的钻石所记录的富含碳和水 (C-O-H) 的三次地质交代事件。图片来源：Nat. Commun. ^[3]

而离我们最近的一个已知阶段发生在1.3亿年前和8500万年前，即白垩纪。这个阶段含有大量含钠和钾的高盐度流体。这表明，形成这些钻石的碳不是直接来自地球深处，而是来自被俯冲作用拖到大陆块下面的洋底。研究人员表示，正是在这个最新时期的末尾，金伯利岩的巨大喷发将所有这些钻石带到了地表，而这个矿床最终成为南非的戴比尔斯钻石矿。

参考文献：

[1] Shirey S B, Wagner L S, Walter M J, et al. Slab transport of fluids to deep focus earthquake depths—Thermal modeling constraints and evidence from diamonds. AGU Advances, 2021, DOI: 10.1029/2020AV000304

[2] Giant diamonds may hold the key to superdeep earthquakes

https://www.sciencemag.org/news/2021/06/giant-diamonds-may-hold-key-superdeep-earthquakes 

[3] Weiss Y, Kiro Y, Class C, et al. Helium in diamonds unravels over a billion years of craton metasomatism. Nature Communications, 2021, 12, 2667, DOI: 10.1038/s41467-021-22860-3

（本文由Silas供稿）