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一個神秘包裹:揭開地球內部的秘密

庫利南鑽石

再回到本文開始講述的故事。那顆巨大粗糙的庫利南原鑽安全抵達倫敦後,即送到荷蘭的皇家阿舍爾鑽石公司,由公司最好的鑽石切割手約瑟夫·阿舍爾(Joseph Asscher)操刀。據報道,因這塊原鑽太大,錘子的第一次重擊竟將刀子震碎,阿舍爾當場昏倒。不過阿舍爾最終成功將這顆原鑽切割成9顆大鑽石,最大的一顆重達530.20克拉,此外還有96顆較小的鑽石。最大的幾顆成為英國皇冠和權杖上的裝飾及英國王室的私人珠寶,其餘較小的鑽石則賣給世界各地的客戶。

就在這個時候,他們注意到一個令人費解的模式。大多數被稱為I型的鑽石都含有大量的氮,這影響了鑽石的晶體結構,並為鑽石增加一絲淡黃色或棕色。不過,有時某顆鑽石上幾乎檢測不到這種元素的痕跡。這些是II型鑽石,極其罕見,通常是非常大的鑽石。

史密斯說,「這類鑽石與眾不同的不僅僅是大。當你觀察這些很大高質量的(II型)鑽石時,比如庫利南鑽石,發現都有一些異常之處,這些鑽石較有可能屬於罕見的同類。這曾經是一個長期未解的謎團。」

最終,科學家發現一些鑽石是「超深」鑽石,即在地表以下極深處形成,其深度超乎想像,遠超於一般鑽石。另外還確定了一些最有可能發現超深鑽石的鑽石礦,比如南非的庫利南礦和附近萊索托王國的萊特森礦(Letseng),史密斯在顯微鏡前研究的124克拉鑽石就出產於後者。

今天諸多超深鑽石來自南非的庫里南鑽石礦和萊索托的萊特森礦

但在之前幾十年期間,大多數在地球深處發現的鑽石都很微小,沒有特別的價值。要研究大型、昂貴的鑽石卻一直很麻煩,沒有人檢查過這些巨鑽是否也屬於超深一類。史密斯說,「我們從來沒有想到某些超深鑽石會是什麼珍寶,沒有想過有人會把超深鑽石戴在身上,或者,你知道,裝飾在王冠或權杖之類的東西上。」

史密斯2020年研究發現的關鍵證據是一種很難找到的礦物,這是6年前在一顆於1879年撞擊地球的隕石碎片中首次發現,而這個隕石已有45億年歷史。

據認為,這塊古老的地外岩石曾經是一個更大的天體小行星的一部分,在撞擊地球的一次災難中破裂。撞擊時產生的驚人高壓類似於地球內部的強大壓力。

這顆被稱為特納姆(Tenham)的隕石在下落中破碎,碎片散落在澳大利亞昆士蘭州,其中許多被人收集,最終由一位地質學家的遺孀送給了倫敦的大英博物館。143年後的今天,科學家對這些隕石碎片進行了廣泛的研究,特別是想知道這些碎片是否能提供有關我們地球內部的信息。

2014年,科學家們在這些天外來客的其中一塊岩石中發現了橋錳石。儘管這種礦物在地球上是儲量最豐富的物質,但卻只能在地幔的高壓下存在,而地幔在處於熔融狀態的地核之上。橋錳石就像許多高壓礦物一樣,到達地表就會分解,因此這還是人類第一次看到橋錳石的真面目。

令人相當意外的是,史密斯研究的124克拉鑽石中也含有僅存於地幔中的這種礦物質,不過呈現破碎狀態,因為即使包裹在堅不可摧的鑽石中,到了地表,橋錳石一般也無法維持原狀。這表明,這顆閃閃發光的大鑽石是在超深的下地幔形成的,在地球這個深度,壓力至少是海平面的24萬倍,是海洋最深處馬里亞納海溝(Mariana Trench)壓力的240倍。

但為什麼這一切使得超深鑽石非同尋常?超深鑽石能否告訴我們其所在的那個人類看不見的世界的任何信息?

傳說因庫利南巨鑽太大,第一次切割把刀具都撞斷

來自遠古的碳

根據史密斯的說法,世界上最大和最有價值的鑽石的不同尋常的品質完全取決於其形成方式。

即或是一般普通鑽石,其起源至今仍然有些神秘,科學家認為鑽石是以一種流體的形式開始其形成晶體的歷程,最初有可能是被困在地底深處的遠古海水,然後隨着下沉的大洋板塊到達地球深處。不知什麼原因,也許是由於溫度或壓力的突然變化,富含礦物質的水最終會把溶解在水中的碳排放出來,被排出來的碳然後沉澱,最終在地球深處的巨大壓力下結晶成為鑽石。

但像庫利南鑽這樣的超深鑽石就不一樣了。這些鑽石不是在水中開始的,而是在更深的地球內部,從溶解在液態金屬中的碳開始。史密斯說,「這就像溶解了硫和碳的熔狀鐵鎳合金。所以是一種完全不同的流體,但仍然是含碳的流體。經歷某種化學或溫度變化的影響,導致碳從金屬流體中結晶出來。」因此最初的金屬液體含有較少的氮,所以由此產生的鑽石氮元素含量極低,因此更加透明。

簡而言之,克力匹爾超深鑽石不僅僅是以某種方式增長到驚人比例的鑽石,其從開始誕生就相當不凡。事實上,超深鑽石無與倫比的尺寸和透明度正是其不同尋常的形成方式的直接結果。自從超深鑽石被發現,這種來自地球超深處的寶石開始揭示我們星球深處一直對人類嚴防死守的某些秘密。

在其漫長的歷史中經歷過碰撞的隕石可以為了解地球深處的情況提供重要線索

史密斯說,「我認為(超深鑽石)告訴我們的最重要的信息是有關海洋構造板塊下沉到地球的俯衝過程。」

這是我們在學校課堂上都學過的地質現象。地球岩石圈被分割成七個構造板塊,「漂浮」在地球表面,當彼此摩擦時就會產生地震,當彼此分開或靠得太近時就會產生火山。至關重要的是,在新板塊不斷形成的同時,一些板塊也會逐漸緩慢地滑入地殼之下,再也不會出現在地球表面。

雖然科學家們一直懷疑這些消失的俯衝板塊通常是較重的海洋板塊,最終會漂流下沉到更近地核的下地幔中,但這一猜測從未得到證實。史密斯說,「你可以去看一座火山,然後說,『是的,這些岩漿來自地球』,或者去海洋中的熱液噴口,看到新的地殼正在形成……但除此之外,真的很難做相反的事(即深入地球探看),只能問道,有什麼東西進入了地球?」

但超深的鑽石可以為我們探看地球深處的秘密提供重要的線索,因為很神奇的是,這些從地表消失的構造板塊可能就是超深鑽石的原材料。史密斯說,「所以我們現研究的鑽石看起來像大致是下沉到下地幔中的海洋地殼的碎片。這些鑽石的物理特性告訴我們,這個形成過程在物理學是說得通的。」

超深鑽石除了證實最終到達地球內部的海洋板塊發生了什麼變化,還能告訴我們,在下地幔中可以發現什麼樣的東西。首先,那裏一定有碳,否則鑽石就不會存在。但在2021年,在巴西的茹伊納(Juína)發現了一顆罕見的超深鑽石,表明下地幔可能也有整個「海洋」的海水。

世界上最大的鑽石一般也特別透明清澈

這粒巴西超深鑽石中含有一種鮮艷的藍色礦物,即帶有水分的尖晶橄欖石(ringwoodite)。這是在極高壓下形成的一種特別橄欖石。一般橄欖石是構成大部分上地幔的綠色岩石。在顯微鏡下,這粒尖晶橄欖石看起來像一個很小的靛藍色玻璃碎片,這種橄欖石中含有2.5%左右的水。

很多年來,科學家們一直認為,地球表面的所有水:河流、冰蓋、湖泊和海洋中的水,其原始源頭都來自地幔。但是地幔中的水究竟儲存在哪裏一直是有爭議的,特別是因為一般橄欖石儲水能力很差。然而,含水尖晶橄欖石的發現表明,水可能儲存在地幔更低的地方,也即是許多超深鑽石形成的地方。

科學家對超深鑽石了解得越多,就越清楚地認識到,超深鑽石不僅在金錢方面具有非凡的價值,而且要是沒有這些來自地球深處的寶石,地球深處發生的許多變化至今不為人類所知。

史密斯說,「你試圖在顯微鏡下仔細觀察某樣東西時,你肯定會有一種驚嘆不已的感覺,但同時你也會在腦海中想到你正在處理的東西價值數百萬美元。有幾次,我的意思是,看着其中一些東西,想着,『哦,如果我們能打開來看或更詳細地研究不是很好嗎,因為這是如此迷人的科學樣本』……但你不能,因為這是無價之寶。這是一種很怪異的矛盾感受。」

由於通常沒有人想砸破鑽石作研究,史密斯不禁渴望有一種破壞性較小,但手段也很徹底的選擇,即讓鑽石保持原始形態。鑽石從地球深度冒出來時,是粗糙的塊狀,也沒有經過切割和打磨後那種奪目光澤,但你看到的鑽石表面能夠講述鑽石在地底的冒險歷程。

史密斯說,「鑽石會受到岩漿的化學反應侵蝕,最終形成鑽石極其獨特的形狀和複雜的表狀,鑽石的自然表面是由數百萬年來各種不同的力量雕塑出來的。這是獨一無二的,讓我感到美不勝收。」

責任編輯: 方尋  來源:BBC中文轉載請註明作者、出處並保持完整。

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