当科学家发现了一颗钻石……
作者：彭红卫（中国科学院地质与地球物理研究所）
一提到钻石，你会想到什么？炫彩夺目、异常坚硬？还是那句标语“钻石恒久远，一颗永流传”？或者立刻让你联想到美好的爱情？
但，钻石的背后不仅仅只有这些……
今天要说的是一位科学家发现了一颗钻石后的故事。
一颗与众不同的钻石
几年前，加拿大阿尔伯塔大学的地球化学家格雷厄姆·皮尔森(Graham Pearson)教授，去巴西Juı′na地区某钻石矿考察，在钻矿河流下游找到一颗粒径约5mm的浅棕色金刚石。
皮尔森教授发现这颗金刚石表面呈现高程度的溶蚀特征，并具有明显的塑形变形特征；进行红外光谱分析后，发现这颗金刚石中氮元素含量很低，这些特征均指示，这颗金刚石是来源特别深的金刚石。
图：金刚石及其中包裹的微细物质
经过细致观察，皮尔森教授的团队还发现金刚石中包裹着一些微细的物质。
对这些微细物质进行激光拉曼分析，确定为细粒的林伍德石（ringwoodite）和瓦士利石（wadsleyite），而这两种矿物是上地幔与下地幔之间过渡带中的主要组成矿物。
注：激光拉曼仪器可在微观尺度有效确定矿物种类
继续对林伍德石进行红外光谱分析，皮尔森教授的研究团队计算出其含水量至少可达到1.4wt%（注：wt%为重量百分比）。根据这些信息，他们进而指出，地幔中过渡带是富水的。
2014年3月，他的研究团队将这项研究成果发表在了《Nature》杂志上，题目为《Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond》（译为《由金刚石中的林伍德石揭示的富水地幔过渡带》）。
发现了一颗钻石，发表了一篇Nature。
可以，这很强势。
话说这篇文章，当时可是在媒体上引起了不小的轰动。但并不是因为皮尔森教授发现钻石后，没有第一时间上交国家。媒体争相报道时，打出的都是“地幔中发现巨大水库”、“地幔中存在海洋”等吸引公众目光的标题，不免有哗众取宠之嫌。
因为作者在论文中压根没提地幔存在大水库、体积超过地面海洋的事，大概是媒体参照地幔体积与地表海洋水体积自行计算的。
但是，作者的研究仅仅指出上地幔与下地幔之间的过渡带富水；而整个地幔是不均一的，地幔不同圈层、不同部位的含水性可能有较大差异。并且，水在地幔中的存在形式也完全不同，也根本不可能形成所谓的“海洋”。
其实这个研究本身还是很有意思的。
在这里，我们先简单说一下地幔的概念。
地幔，作为地球内部的重要组成部分，认为是岩浆的起源地；对地壳的运动核演化、地表岩石和地形的形成起到重要的作用。
地球内部结构图（图片来源于维基百科，并进行了修改）
地幔是地球的圈层之一，位于地壳和地核中间；分为上地幔（地壳以下至410 km），下地幔（660–2891 km）和中间的过渡带（410–660 km）。
其实早在这篇论文之前，已经有不少论文研究了金刚石和金刚石中包裹的矿物：
例如，2011年10月，发表在《Science》杂志上的《Deep Mantle Cycling of Oceanic Crust: Evidence from Diamonds and Their Mineral Inclusions》（译为《地幔深部洋壳的循环：来自金刚石和其中矿物包体的证据》）一文。
作者同样是取自巴西相同钻矿的金刚石，其中包裹的微粒矿物组合虽然是上地幔常见的矿物组合，但是微粒矿物组合展示出来的出溶结构指示，其最初形成于700至1400千米深度的下地幔中的均一矿物相在向上地幔运输的过程中出溶形成的矿物组合。
因此，金刚石中最初包裹的物质来源于很深的下地幔。
同时，作者对金刚石进行碳同位素分析，示踪金刚石中碳元素的来源，发现金刚石中的碳同位素与地表海洋有机碳的碳同位素相同，指示金刚石中的碳元素来源于俯冲进入下地幔的洋壳，指示洋壳循环进入了下地幔的深度。
注：地壳分为洋壳和陆壳，且地壳不是静止不动的，它们之间会进行移动，洋壳会向下进入陆壳之下
图：洋壳俯冲到下地幔深度
从上面两篇论文中，我们可以发现，金刚石是研究地球内部的有效媒介，为什么如此呢？
我们得从金刚石如何形成，又如何形成金刚石矿这个过程说起。
金刚石及金刚石矿如何形成？
金刚石的组成元素是碳，与我们日常接触得到的石墨组成元素相同，他们之间在矿物学上称为同质多象。
注：同质多象与化学上的同素异形体概念相近
我们知道，石墨只有在高温高压的条件下才可能转变为金刚石，而这样的条件是需要达到上地幔的深度。
下地幔中碳元素含量相对高，水含量较高，相比上地幔为更氧化的条件；而上地幔中碳元素含量低，水含量低，为更还原的条件。
上地幔和下地幔碳元素含量以及条件的差异，导致金刚石的碳元素更可能来源于下地幔；而上地幔由于水含量更低，更还原的条件，则更利于保存金刚石。
下地幔的碳元素跟随地幔中垂直的岩浆活动，进入过渡带或者上地幔中，这个过程中金刚石形成；并在更还原条件下的上地幔中保存。因此，金刚石在生长过程中可能会包裹进来自下地幔、过渡带或者上地幔的物质。
图：金刚石形成于地幔环境示意图
上地幔与下地幔之间碳元素含量的差异以及氧化还原条件、水含量的差异使不同区域在形成金刚石的职能不同；下地幔提供原料，过渡带和上地幔保存。图中的Plume即为向上运移的岩浆；图中垂直黑线也表示向上运移的岩浆，为下文的金伯利岩的岩浆
那么，形成于这么深的过渡带和上地幔中的金刚石是如何到达我们近地表的位置呢？
金伯利岩——让金刚石矿从内部“走”出来
其实，世界上绝大多数的金刚石矿都与一种特殊的岩浆岩石有关，这种岩石叫金伯利岩（Kimberlite）。
注：金伯利是南非的一个小镇，这里曾产出了83.5克拉重的非洲之星钻石。
金伯利岩在自然界中分布很少，是一种不常见的岩石类型。但是金伯利岩无论在研究地球深部，还是国民经济中都占有重要地位。
图：金伯利岩照片
角砾混杂是金伯利岩的典型特征之一，指示岩浆在近地表发生爆破，使不同物质混杂在一起，伴随岩浆冷却形成岩石。
金伯利岩石是自然界起源最深的岩浆岩石之一，它主要起源于上地幔，最初的岩浆可能起源于地幔中的过渡带。
来自于上地幔或地幔过渡带的岩浆以“细长的管道”形式向上运输，到达地壳浅部，岩浆冷却，形成金伯利岩。
金伯利岩浆在深部向上运输的过程中即会捕获已经形成的金刚石。
由于金伯利岩的岩浆以类似管道的形式向上运输，且达到近地表浅部后，岩浆中的气体、水等会发生出溶，产生爆破效应，因此，金伯利岩常成为下窄上宽的冰激凌筒状。
也是由于爆破，金伯利岩才会呈现出角砾混杂的特征，这些角砾有地球深部的物质，也有近地表浅部的物质，当然，其中可能也包括金刚石。
图：金伯利岩筒形成
金伯利岩筒多为典型的冰激凌形状，底部为岩浆从深部运往浅部的通道
正是由于金伯利岩的岩浆起源于上地幔或过渡带，岩浆在向上运输的过程中常会捕获地幔中的物质和金刚石，金伯利岩和金刚石之间才能有这么密切的关系。
正因为这样，金刚石矿的开采多沿着金伯利岩筒进行。长期的开采会形成壮观的圆形天坑。如俄罗斯的和平钻石矿（Mir Mine），形成了一个525米深，圆筒直径达1200米宽的天坑，被媒体戏称为“地狱之门”。
图：俄罗斯和平钻孔采坑
其实，金伯利岩本身携带的来自于地幔深部的物质，也为科学家研究地球深部提供了重要的视角。但是金刚石中包裹的微粒物质，由于受到金刚石这层坚硬外壳的保护，它的真实面貌可能更容易被保存了下来，对它们的研究也更能反映地球深部的真实信息。
参考文献：
Pearson, D. G., Brenker, F. E., Nestola, F., Mcneill, J., Nasdala, L., & Hutchison, M. T., et al. 2014. Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond. Nature, 507(7491), 221.
Walter, M. J., Kohn, S. C., Araujo D, Bulanova, G. P., Smith, C. B., & Gaillou, E., et al. 2011. Deep mantle cycling of oceanic crust: evidence from diamonds and their mineral inclusions. Science, 334(6052), 54-7.
Harte, B. 2011. Geochemistry. diamond window into the lower mantle. Science, 334(6052), 51.
Robb, L. 2005. Introduction to ore-forming processes. Blackwell Pub, 30-33.
链接原文：
https://en.wikipedia.org/wiki/Kimberlite
https://en.wikipedia.org/wiki/Mir_mine
https://en.wikipedia.org/wiki/Earth
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
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