南非礦山發(fā)現(xiàn)成分"近乎不可能"的鉆石

兩顆來自南非礦山的璀璨鉆石中，竟同時封存著形成于完全對立化學(xué)環(huán)境的物質(zhì) —— 這種不同尋常的組合令研究人員直呼"近乎不可能"。這對發(fā)現(xiàn)于地下數(shù)百公里處的鉆石，為人類揭示了地幔深處的化學(xué)活動與鉆石形成機制。

這兩顆鉆石樣本出土于南非礦山。與眾多寶石類似，它們內(nèi)部含有所謂"包裹體" —— 即鉆石形成過程中捕獲的周邊巖石微粒。雖然包裹體令珠寶商頭疼，卻是科學(xué)家眼中的信息寶庫。對于形成于人類無法觸及的深部地幔的鉆石而言，這些被完好無損帶至地表的包裹體，更是成為了研究深部礦物原始狀態(tài)的唯一窗口。

新發(fā)現(xiàn)的兩顆鉆石樣本中，竟同時存在著富含氧原子的碳酸鹽礦物（氧化態(tài)）與貧氧的鎳鐵合金（化學(xué)術(shù)語稱為還原態(tài)）。就像酸與堿相遇會立即反應(yīng)生成水和鹽那樣，氧化性碳酸鹽礦物與還原性金屬通常難以共存。耶路撒冷希伯來大學(xué)地球科學(xué)高級講師雅科夫·韋斯表示，常規(guī)鉆石包裹體僅含其中一種物質(zhì)，因此這種共存現(xiàn)象令研究團隊困惑不已，甚至將樣本擱置一年之久。

當(dāng)研究人員重新分析時，才發(fā)現(xiàn)這些包裹體記錄下了鉆石形成過程中的反應(yīng)瞬間。這首次證實了地幔中碳酸鹽礦物與還原金屬發(fā)生反應(yīng)可形成鉆石，也是科學(xué)界首次在天然鉆石中觀測到該反應(yīng)的中途狀態(tài)。最新發(fā)表《自然·地球科學(xué)》期刊的論文資深作者韋斯指出："這堪稱氧化譜系的兩個極端。"

該發(fā)現(xiàn)對揭示地幔神秘過渡層具有重要意義。隨著向地球深處進軍，巖石與礦物會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原態(tài)，可用氧分子越來越少，但關(guān)于地幔過渡過程的直接證據(jù)極為有限。不列顛哥倫比亞大學(xué)瑪雅·科皮洛娃教授解釋："我們通過實證數(shù)據(jù)對約200公里深度內(nèi)的還原作用有所了解，但更深區(qū)域僅停留在理論推演。"而這兩顆來自地下280-470公里的樣本，首次為地幔化學(xué)理論提供了現(xiàn)實校驗。

韋斯指出一個重要發(fā)現(xiàn)：氧化熔融物質(zhì)的存在深度遠(yuǎn)超預(yù)期。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，將鉆石帶至地表的金伯利巖屬氧化性質(zhì)，其形成深度不應(yīng)超過300公里，但新發(fā)現(xiàn)表明氧化巖石可能存在于更深處。研究人員推測，鉆石形成反應(yīng)可能發(fā)生在構(gòu)造板塊俯沖過程中 —— 富含氧的碳酸鹽流體被帶入地幔深處，與金屬合金相遇而產(chǎn)生反應(yīng)。

富含鎳的包裹體或許還能解釋某些鉆石的異常現(xiàn)象：晶格中偶爾出現(xiàn)的鎳原子替代碳原子現(xiàn)象。科皮洛娃表示這一直是未解之謎，因為鎳原子質(zhì)量遠(yuǎn)大于碳，理論上難以進入晶格。"結(jié)合新數(shù)據(jù)來看，這或許正是特定深度鉆石形成的標(biāo)志，值得深入探究。"

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