“超深钻石”揭开地球内部的秘密形成上地幔中(图)

Daphane · 发表于 2022-10-12 23:33:07

来源: BBC

1986年在南非发现的“百年巨钻”

故事要从送抵伦敦的一个包裹谈起。包裹装在一个普通的纸盒中，收件人是伦敦中心的一家矿业销售代理公司“S Neumann & Co”，这个盒子重量大约500克。但这不是一个普通的包裹。

包裹送抵的日子是1905年4月的一天，在这个日子的三个月前，南非普列米尔钻石矿（Premier Mine）的地面经理在地面下5.4米的矿道作例行检查时，突然发现他头顶粗糙的岩墙上有亮光闪烁。他以为是同事用锤子敲进墙的一大块玻璃，用来恶搞他。但怕万一错失珍宝，他掏出了小刀，在墙上掏挖了一会儿，小刀突然折断。不过他最终还是把这块发光的石头取了出来，原来并非玻璃，而是一颗货真价实的钻石，一颗重达3106.75克拉，大如拳头的巨大钻石，而且，不仅罕见巨大，还澄澈透明异常。

这颗钻石被称为“库利南钻石”（Cullinan），是迄今为止人类发现最大的钻石。最后被打磨成多块较小的钻石，最大的一颗就像遥远星系中的恒星一样发出冷冽的光芒。因此，这块库利南I号钻石有时也被称为“非洲之星”。

近120年过去，这颗超级巨钻并未被世遗忘。在英国女王伊丽莎白二世的送葬队伍中，几颗库利南钻石被放在女王的灵柩上，伴随着女王乘坐灵车，直到女王灵柩下葬于皇家墓室，才从灵柩移走。因为这些巨大的钻石是英国王室珠宝的一部分，通常保存在伦敦塔，在国家庆典才取出来展示于众。库里南1号钻石现镶嵌在英王国权杖之上，而全球第二大的库利南2号则镶嵌于英国王冠。

不过在库利南原钻精细打磨成璀璨的钻石并载入历史史册之前，还需要找到买主出售，而最有希望的买主应该在伦敦。但接下来的问题是：如何将价值连城的库利南原钻安全送到12755公里外的伦敦，而不会遭到盗劫？

如果没有钻石工业，地质学家对我们地球深处的认识就会少很多

最后，这块无价之宝是在约翰内斯堡用普通挂号邮件寄往伦敦，邮费仅3先令，约合75美分（换算成今天的币值约11.79英镑或13.79美元）。与此同时，一颗原钻的复制品则送上蒸汽轮船经长途海运到伦敦，这个冒牌货故意惹人注目地放进船长的保险箱，并有警探作为看守，以此欺骗可能的盗贼。令人惊讶的是，真假两个版本最后都安全寄达。（真的）这颗钻石因为太贵卖了多年都卖不出去，最后由英国的德兰士瓦（Transvaal）殖民地政府用15万英镑（约等于今天的2000万英镑或2250万美元）买下，作为礼物送给英国国王爱德华七世（King Edward VII）。

不过，库利南钻石虽然以体积大和纯净透明度极高闻名全球，但并非唯一具有这类物理特性的钻石。具有库利南钻石这类特性的钻石总称为克力匹尔钻（Clippir diamond，英文clippir是这类钻石六大特性的英文单词首字母总和）。克力匹尔钻不止有令人惊艳的特性，还有我们肉眼看不到的秘密。

钻石如此美丽灿烂，但其出身却很卑微，原是地球深处的岩石碎片，因一种人类仍感困惑难解的异常地质活动，经历极其漫长的岁月才化身成晶莹夺目的金刚石。这些奇异的岩石是来自人类无法探测的一个隐秘世界的罕见信息囊，这个世界在地球深处，压力大到不可想象，含有扭曲的绿色岩石和其他无可名状的矿物。全世界的科学家数十年来一直埋首研究，希望能揭示这个地球深处世界的秘密。有趣的是，正是我们最珍视的灿烂钻石能向我们提供这个地心世界非比寻常的信息。事实上，正是库里南这样的大型钻石正在改变我们对地球内部的认识。

难得的机会

2020年，埃文·史密斯（Evan Smith）坐在美国宝石学院（GIA）的一台显微镜前，小心地套上橡胶手套，凝视着仪器的镜片。镜片下是一颗124克拉，价值连城的钻石，约有核桃大，光芒炫目。
为了研究这颗价值连城的钻石，史密斯通过了几乎达军事级别的安全检查，先是虹膜扫描和身份检查，然后通过层层紧锁的安全门、安全升降机，以及限制甚多的神秘走廊。在他仔细研究着钻石的时候，室内的监控摄像机还不断地向时刻警惕的保安人员发送房间的画面。

英王的王冠上镶嵌的钻石中可能有两颗是超深钻。一颗是库利南2号（或曰非洲之星2号），一颗是有名的"光之山"（ Koh-i-Noor ）

史密斯是美国宝石学院的高级科研人员，他正在研究这颗钻石的成分，钻石中附带的一些来自地球深处的化学物质可以揭示钻石晶体是如何形成的，以及在什么条件下形成。但是研究价值连城的钻石是一件相当棘手的工作，通常情况下，研究人员不可能拿到最大粒的钻石样本进行研究。这些钻石会被送到世界各地，不过是去见潜在的买家，而不是去见科学家，这令人很丧气。

加拿大英属哥伦比亚大学（University of British Columbia）矿物勘探教授玛雅·科皮洛娃（Maya Kopylova）说，获得任何可资研究的钻石样本作研究都很困难，而她可以研究的大多数钻石则都没有研究的价值。她说，“研究人员必须与钻石公司保持良好的关系，他们永远不会给你有价值的样本。所以，他们永远不会给我们比6毫米（0.2英寸）大的钻石。”

即便可以获得钻石研究，其手续也很繁琐而昂贵。首先，科皮洛娃必须参观有高度保安监视的钻石分类设施，并确定她想要研究的样本。一旦获得批准，接下来就是文书工作，所有钻石进出口都必须要有金伯利进程（Kimberley Process）证书，以证明其来源合法，防止战争钻石或曰“血钻石”进入市场。

然而，史密斯不同，在美国宝石学院，他可以接触到世界上最大量的钻石，因为数量上百万的珠宝钻石会送到这里进行评价估值，以便投保或出售。史密斯说，“如果你想看一些罕见和不寻常的珠宝，这里是最理想的地方，因为钻石都要经过这里。每隔几天，你就可以借一颗钻石，也许用几个小时，也许一两天作研究。”

几年前，史密斯正是做了这样的研究。他和一个国际科学家团队一起，随意地索取了53颗属于最大、最清澈、最昂贵的一类钻石，即克力匹尔钻石，其中有的即来自库利南钻石矿，然后他和同事把53颗钻石带回实验室，放在显微镜下观察。

史密斯的发现是革命性的。克力匹尔钻石中有近四分之三含有微小的物质，一些未被氧化的金属颗粒，这是普通钻石中找不到的东西，而另外15颗钻石中含有的异物颗粒是石榴石。石榴石只能在地幔中形成。地幔是地壳和熔融状的地核之间的岩石圈，分成两部分，接近地壳的上地幔和更深入地心，仅在地核之上的下地幔。

总的来说，克力匹尔钻石中的金属颗粒提供了化学物线索，显示这些钻石只可能在地表下深度从360公里到750公里之间的地幔岩石圈中形成。在这个钻石“生成带”中，其深度足以解释其含有的金属颗粒为何没有氧化，因为氧气含量要在比这较高的地层中才会增多，但这批克力匹尔钻石也没有深到750公里之下的下层地幔，因为这里石榴石会在巨大压力下分解。要知，一般钻石形成于地壳以下仅150-200公里的地层中。

在2020年的研究中，史密斯与美国珠宝研究院研发副总裁王五一，共同分析了这颗124克拉的钻石，发现这颗钻石可能形成于较深的地底，至少在地表以下660公里的深处。

超深钻石中的一些碳元素可能来自埋葬在大洋板块的古代海洋生物，随后沉到很深的地幔层

来自于超深的地幔

史密斯说，“从地质学的角度来看，（一般认为）钻石是非常奇异的矿物。”碰巧的是，我们人类这个物种对这种奇异矿物深为迷倒，我们每年要花数以千万美元计的金钱去寻求，这远远超过任何研究项目的预算。

虽然人类为挖矿找钻石，造成战争、殖民、河流改道和稀有物种栖息地丧失等等的破坏，但史密斯认为，如果不是人类对这些闪闪发光的碳结晶的痴迷热爱， “我们人类就会对（钻石不寻常特性）的故事一无所知，因为我们永远不会去寻找和研究。”

即使是最普通的钻石在诸多类岩石中也是鹤立鸡群，因为所有钻石都是在地表以下很深处形成，达到的的深度比其他任何岩石形成的深度都要深得多。科皮洛娃说，除了钻石，“地表上没有任何来自600公里深处的物质，绝对没有。”到达地球表面的熔岩来自地下约400公里深的地方，但这是融化的岩石，而钻石不同，从地底深处到达地表仍是原封原样。科皮洛娃补充说，而且岩石熔化“增加了另一层的不确定性，即我们不知在熔化之前的原始物质是什么。”

每一颗被出售或佩戴过的钻石，除了在实验室里制造的人造钻石，都至少形成于9亿9千万年前，在那个非常遥远的地质年代，奇异如意大利面状的生命形式和原始藻类刚刚从海洋爬上陆地。而有些钻石的年龄更是地老天荒，结成钻石晶体至少在32亿年前，那时整个地球可能还全是一片汪洋，从太空看是一个通体蓝色的旋转球体，不见一线陆地，更无所谓大陆。

钻石一旦在地球深处形成，要经过一系列机率很低的过程才能带到地表。首先，是地幔中极热岩石的自然运动经过数亿年的时间将钻石带到接近地表的位置，这个流动可能是从地核边缘到地幔之间高达数千公里的巨大岩石“熔流”的一部分。

然后钻石还必须在正确的时间出现在正确位置，即需在来自地核中的熔岩向下往上喷发时恰在此处。史密斯说，“（熔化的岩体）会带走形成于不同地方的钻石，然后钻石与熔岩混合在一起。”这些包含斑斑点点钻石的熔岩随后在地壳内冷却凝固成岩石，主要是一种被称为金伯利岩的岩石。千百万年后，被夹在金伯利岩石层的钻石才可能被人类发现。

大多数钻石都是小颗粒钻石，形成于地壳下的上地幔中

早在20世纪80年代，地质学家就开始注意到，有些钻石看起来与多数钻石不同，有时其含有的矿物质可能表明，这些罕见钻石是在比普通钻石更高的压力下形成的（后面会详细介绍）。史密斯说，“我们开始怀疑，是否有些钻石的形成比其他钻石更深入地心。”

库利南钻石

再回到本文开始讲述的故事。那颗巨大粗糙的库利南原钻安全抵达伦敦后，即送到荷兰的皇家阿舍尔钻石公司，由公司最好的钻石切割手约瑟夫·阿舍尔（Joseph Asscher）操刀。据报道，因这块原钻太大，锤子的第一次重击竟将刀子震碎，阿舍尔当场昏倒。不过阿舍尔最终成功将这颗原钻切割成9颗大钻石，最大的一颗重达530.20克拉，此外还有96颗较小的钻石。最大的几颗成为英国皇冠和权杖上的装饰及英国王室的私人珠宝，其余较小的钻石则卖给世界各地的客户。

就在这个时候，他们注意到一个令人费解的模式。大多数被称为I型的钻石都含有大量的氮，这影响了钻石的晶体结构，并为钻石增加一丝淡黄色或棕色。不过，有时某颗钻石上几乎检测不到这种元素的痕迹。这些是II型钻石，极其罕见，通常是非常大的钻石。

史密斯说，“这类钻石与众不同的不仅仅是大。当你观察这些很大高质量的（II型）钻石时，比如库利南钻石，发现都有一些异常之处，这些钻石较有可能属于罕见的同类。这曾经是一个长期未解的谜团。”

最终，科学家发现一些钻石是“超深”钻石，即在地表以下极深处形成，其深度超乎想象，远超于一般钻石。另外还确定了一些最有可能发现超深钻石的钻石矿，比如南非的库利南矿和附近莱索托王国的莱特森矿（Letseng），史密斯在显微镜前研究的124克拉钻石就出产于后者。

今天诸多超深钻石来自南非的库里南钻石矿和莱索托的莱特森矿

但在之前几十年期间，大多数在地球深处发现的钻石都很微小，没有特别的价值。要研究大型、昂贵的钻石却一直很麻烦，没有人检查过这些巨钻是否也属于超深一类。史密斯说，“我们从来没有想到某些超深钻石会是什么珍宝，没有想过有人会把超深钻石戴在身上，或者，你知道，装饰在王冠或权杖之类的东西上。”

史密斯2020年研究发现的关键证据是一种很难找到的矿物，这是6年前在一颗于1879年撞击地球的陨石碎片中首次发现，而这个陨石已有45亿年历史。
据认为，这块古老的地外岩石曾经是一个更大的天体小行星的一部分，在撞击地球的一次灾难中破裂。撞击时产生的惊人高压类似于地球内部的强大压力。

这颗被称为特纳姆（Tenham）的陨石在下落中破碎，碎片散落在澳大利亚昆士兰州，其中许多被人收集，最终由一位地质学家的遗孀送给了伦敦的大英博物馆。143年后的今天，科学家对这些陨石碎片进行了广泛的研究，特别是想知道这些碎片是否能提供有关我们地球内部的信息。

2014年，科学家们在这些天外来客的其中一块岩石中发现了桥锰石。尽管这种矿物在地球上是储量最丰富的物质，但却只能在地幔的高压下存在，而地幔在处于熔融状态的地核之上。桥锰石就像许多高压矿物一样，到达地表就会分解，因此这还是人类第一次看到桥锰石的真面目。

令人相当意外的是，史密斯研究的124克拉钻石中也含有仅存于地幔中的这种矿物质，不过呈现破碎状态，因为即使包裹在坚不可摧的钻石中，到了地表，桥锰石一般也无法维持原状。这表明，这颗闪闪发光的大钻石是在超深的下地幔形成的，在地球这个深度，压力至少是海平面的24万倍，是海洋最深处马里亚纳海沟（Mariana Trench）压力的240倍。

但为什么这一切使得超深钻石非同寻常？超深钻石能否告诉我们其所在的那个人类看不见的世界的任何信息？

传说因库利南巨钻太大，第一次切割把刀具都撞断

来自远古的碳

根据史密斯的说法，世界上最大和最有价值的钻石的不同寻常的品质完全取决于其形成方式。

即或是一般普通钻石，其起源至今仍然有些神秘，科学家认为钻石是以一种流体的形式开始其形成晶体的历程，最初有可能是被困在地底深处的远古海水，然後随着下沉的大洋板块到达地球深处。不知什么原因，也许是由于温度或压力的突然变化，富含矿物质的水最终会把溶解在水中的碳排放出来，被排出来的碳然后沉淀，最终在地球深处的巨大压力下结晶成为钻石。

但像库利南钻这样的超深钻石就不一样了。这些钻石不是在水中开始的，而是在更深的地球内部，从溶解在液态金属中的碳开始。史密斯说，“这就像溶解了硫和碳的熔状铁镍合金。所以是一种完全不同的流体，但仍然是含碳的流体。经历某种化学或温度变化的影响，导致碳从金属流体中结晶出来。”因此最初的金属液体含有较少的氮，所以由此产生的钻石氮元素含量极低，因此更加透明。

简而言之，克力匹尔超深钻石不仅仅是以某种方式增长到惊人比例的钻石，其从开始诞生就相当不凡。事实上，超深钻石无与伦比的尺寸和透明度正是其不同寻常的形成方式的直接结果。自从超深钻石被发现，这种来自地球超深处的宝石开始揭示我们星球深处一直对人类严防死守的某些秘密。

在其漫长的历史中经历过碰撞的陨石可以为了解地球深处的情况提供重要线索

史密斯说，“我认为（超深钻石）告诉我们的最重要的信息是有关海洋构造板块下沉到地球的俯冲过程。”

这是我们在学校课堂上都学过的地质现象。地球岩石圈被分割成七个构造板块，“漂浮”在地球表面，当彼此摩擦时就会产生地震，当彼此分开或靠得太近时就会产生火山。至关重要的是，在新板块不断形成的同时，一些板块也会逐渐缓慢地滑入地壳之下，再也不会出现在地球表面。

虽然科学家们一直怀疑这些消失的俯冲板块通常是较重的海洋板块，最终会漂流下沉到更近地核的下地幔中，但这一猜测从未得到证实。史密斯说，“你可以去看一座火山，然后说，‘是的，这些岩浆来自地球’，或者去海洋中的热液喷口，看到新的地壳正在形成……但除此之外，真的很难做相反的事（即深入地球探看），只能问道，有什么东西进入了地球？”

但超深的钻石可以为我们探看地球深处的秘密提供重要的线索，因为很神奇的是，这些从地表消失的构造板块可能就是超深钻石的原材料。史密斯说，“所以我们现研究的钻石看起来像大致是下沉到下地幔中的海洋地壳的碎片。这些钻石的物理特性告诉我们，这个形成过程在物理学是说得通的。”

超深钻石除了证实最终到达地球内部的海洋板块发生了什么变化，还能告诉我们，在下地幔中可以发现什么样的东西。首先，那里一定有碳，否则钻石就不会存在。但在2021年，在巴西的茹伊纳（Juína）发现了一颗罕见的超深钻石，表明下地幔可能也有整个“海洋”的海水。

世界上最大的钻石一般也特别透明清澈

这粒巴西超深钻石中含有一种鲜艳的蓝色矿物，即带有水份的尖晶橄榄石（ringwoodite）。这是在极高压下形成的一种特别橄榄石。一般橄榄石是构成大部分上地幔的绿色岩石。在显微镜下，这粒尖晶橄榄石看起来像一个很小的靛蓝色玻璃碎片，这种橄榄石中含有2.5%左右的水。

很多年来，科学家们一直认为，地球表面的所有水：河流、冰盖、湖泊和海洋中的水，其原始源头都来自地幔。但是地幔中的水究竟储存在哪里一直是有争议的，特别是因为一般橄榄石储水能力很差。然而，含水尖晶橄榄石的发现表明，水可能储存在地幔更低的地方，也即是许多超深钻石形成的地方。

科学家对超深钻石了解得越多，就越清楚地认识到，超深钻石不仅在金钱方面具有非凡的价值，而且要是没有这些来自地球深处的宝石，地球深处发生的许多变化至今不为人类所知。

史密斯说，“你试图在显微镜下仔细观察某样东西时，你肯定会有一种惊叹不已的感觉，但同时你也会在脑海中想到你正在处理的东西价值数百万美元。有几次，我的意思是，看着其中一些东西，想着，‘哦，如果我们能打开来看或更详细地研究不是很好吗，因为这是如此迷人的科学样本’……但你不能，因为这是无价之宝。这是一种很怪异的矛盾感受。”

由于通常没有人想砸破钻石作研究，史密斯不禁渴望有一种破坏性较小，但手段也很彻底的选择，即让钻石保持原始形态。钻石从地球深度冒出来时，是粗糙的块状，也没有经过切割和打磨后那种夺目光泽，但你看到的钻石表面能够讲述钻石在地底的冒险历程。

史密斯说，“钻石会受到岩浆的化学反应侵蚀，最终形成钻石极其独特的形状和复杂的表状，钻石的自然表面是由数百万年来各种不同的力量雕塑出来的。这是独一无二的，让我感到美不胜收。”

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