昂貴的鉆石往往被視為浪漫愛情的象征。今年8月，一顆天然藍鉆登上《自然》雜志的封面，不是因為它有多浪漫，而是因其背后的“巨大信息量”。

在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所礦產(chǎn)資源研究實驗室研究員范宏瑞看來，人們可以發(fā)射衛(wèi)星，知曉天外星球的存在，但對地球內(nèi)部的了解卻薄弱得多。

地球的內(nèi)核和覆蓋層是怎樣變遷運動的？地表的元素是如何被帶到地球深處，再從地下數(shù)百千米返回至地上的？

范宏瑞表示，研究鉆石及其包裹的礦物質(zhì)，能為人們了解地球深部和地球演化提供許多思路。

“淡定”信使

從閃閃發(fā)光的鉆石、黑乎乎的石墨再到人體內(nèi)的蛋白質(zhì)，碳元素在地球上的形態(tài)千變?nèi)f化，因原子排列分布不同而性質(zhì)各異。

俗話說：“沒有金剛鉆，別攬瓷器活。”范宏瑞表示，鉆石其實就是金剛石，能夠保持亞穩(wěn)定狀態(tài)上億萬年，被包裹在鉆石內(nèi)部的礦物才不會受溫度、壓力等因素影響，從而達到新的化學(xué)平衡。

鉆石為何能在自然界中如此“淡定”？這跟它誕生的環(huán)境“壓力山大”有關(guān)。

地球內(nèi)部每深入1千米，壓力就會增加27.5兆帕斯卡，相當(dāng)于275個大氣壓。在上地幔巖石圈和軟流層的交界處，大約距地表150千米~200千米，壓力約為4.5萬~6萬個大氣壓，且伴隨著1000℃以上的高溫，鉆石就成為碳最穩(wěn)定的存在形式。

范宏瑞表示，20世紀(jì)80年代末，研究者在鉆石中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了來自地球更深處的包裹體，其形成深度至少達700千米，即位于下地幔。

“這里的金剛石更有可能穩(wěn)定生長，體積更大，凈度也更好，因此是用來研究深部地質(zhì)的直接對象。”范宏瑞說。

正因為鉆石有這樣的“真本事”，才能承擔(dān)起“信使”的責(zé)任。

穿越“蛋殼”

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理實驗室副研究員張馳說：“越來越多的證據(jù)表明，人們在地球表層看到的現(xiàn)象，往往與地球深處的運動有密切聯(lián)系。”

可是在半徑為6371千米的地球上，人類向地下鉆出的孔最深不過1萬多米。若將地球比作雞蛋，人類目前能直接抵達的部分只有“蛋殼”。

鉆石如何幫助人們了解“蛋殼”之下的奧秘？科學(xué)家通過高溫高壓實驗、熱力學(xué)模型計算等手段推測，下地幔的主要成分之一是一類具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的硅酸鹽。因為在常壓下處于亞穩(wěn)狀態(tài)，這類物質(zhì)在地表非常罕見。

今年3月，一項發(fā)表在《自然》上的研究發(fā)現(xiàn)，一顆來自南非庫里南礦的鉆石內(nèi)部含有鈣硅酸鹽，且保留了高壓鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，論證了先前推測。

在今年8月初發(fā)表于《自然》雜志的封面文章中，美國寶石協(xié)會（GIA）的研究者與合作者通過研究“庫里南之夢”等天然藍鉆，發(fā)現(xiàn)其中有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的硅酸鹽結(jié)構(gòu)殘余，與下地幔的主要成分相吻合，證明了它們從地球深處來的“身份”。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)藍鉆中存在硼元素。這種主要存在于地表的輕元素是如何進入下地幔的？張馳表示，這極有可能意味著原來位于地表的硼由于板塊碰撞和俯沖進入地幔，再伴隨巖漿活動與藍鉆一同返回地表。“這體現(xiàn)了元素在地表和地球深部之間復(fù)雜的遷移循環(huán)過程。”張馳補充道。

看清“真心”

鉆石內(nèi)部如此大的信息量，科學(xué)家是怎么看出來的？張馳表示，研究鉆石包裹體中的礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)，需要用到不同方法。比如前文提到的研究中，美國寶石協(xié)會的科學(xué)家主要采用了一種名為激光拉曼光譜檢測的技術(shù)。

這種技術(shù)快速、簡便且無損，能夠迅速鑒定物相、精細地分析物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)。

張馳介紹，拉曼光譜是一種光的非彈性散射。光在通過特定物質(zhì)時，部分散射光的能量會發(fā)生微小的變化，而這種變化與對應(yīng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)。將激光聚焦在鉆石包裹體上，即可獲得相應(yīng)的光譜信息。由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，獲取到的信息也不一樣，“因此能分析出鉆石包裹體內(nèi)存在的礦物形式和流體組成”。

此外，研究者還可利用鉆石包裹體內(nèi)的殘余壓力，通過熱力學(xué)計算等方法，還原出鉆石捕獲時所處環(huán)境的壓力條件，進一步確定鉆石的來源深度。

范宏瑞表示，研究鉆石等包裹體礦物的元素含量能夠反演金剛石源區(qū)的礦物、巖石學(xué)特征，以及地幔流體特征和地幔過程，“這對探索地球深部演化、氣候變化、化石能源成因等問題都具有重要意義”�！�

研究所涉及的部分藍鉆