本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点。
西雅图海鹰队超级碗冠军戒指上的 184 颗钻石可以告诉我们一些关于地球内部的信息。我们仍在研究这些珍贵、闪亮的岩石(它们实际上并非永恒)。以下是目前为止的故事
钻石的形成只需要一些条件。首先,你需要碳。钻石就是碳,对吧?化学式是 C。很简单,对吧?我们上次了解到这些碳是如何形成的。但事实证明,这个简单的故事有一些情节转折。
目前的研究表明,可能不止一种碳参与了钻石的形成。其中一些是原始的星尘物质(可能包括来自碳星的碳,这非常有趣)。超新星爆发的冲击波中形成的碳原子、石墨颗粒和纳米钻石与其他物质一起凝聚成地球。其中一些最终进入地幔,并且从未到达地表。这被称为幼年碳,它以甲烷等碳氢化合物的形式存在。但我们怀疑还有另一种碳,它的经历更加丰富。它可能曾经在地表,其中一些最终变成了生物物质(毕竟地球上的生命是碳基的!)。一些地表碳,锁在各种沉积物、岩石和生物(如石灰石)形成的石头中,搭上俯冲板块的便车,最终被回收到地幔中。而这些碳有可能变成钻石。
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唯一的问题是,您和海鹰队的队员们佩戴的钻石戒指可能不包含以前是奥陶纪蛤蜊的碳原子——我们稍后会解释原因。
所以,地幔中存在碳,但它还不是钻石。这需要足够的碳集中在一个地方,形成刚好过饱和的溶液,开始析出。你做过冰糖吗?原理其实一样,只是钻石不需要绳子,只需要一个好的矿物晶种就可以开始生长,而深地幔中有很多这样的晶种。有多深呢?我们说的是至少 140-190 公里(87-118 英里)深处。在这些深度,压力约为 45-60 千巴。为了让您了解这是多大的压力,想象一下您站在地球海平面上,头顶上方是整个大气层。还不错,对吧?现在想象一下再增加 44,999-59,999 个地球大气压。那真是太重了。
钻石不仅需要那么大的压力,还需要合适的温度——大约 900-1300°C(1650-2370°F)。据我们所知,地球上只有两个地方存在这些条件。一个是在克拉通之下的上地幔中,克拉通是大陆板块,在过去的十亿多年里一直保持稳定和可靠。没有人比 Metageologist 描述得更好
[克拉通]就像家庭聚会上的曾祖母,当年轻的地壳在它们周围兴奋地移动时,它们静静地坐着,偶尔会评论一下它们年轻时的情况有多么不同。
这可能会让您认为满足钻石形成条件的另一个地方也像曾祖父一样,但并非如此。更像是一个失散多年的曾侄孙,带着一声巨响闯入了家庭团聚。
然而,适合制作超级碗戒指的钻石不太可能在瞬间形成。它们需要大约十亿到三十多亿年的时间才能从小颗粒长成闪亮的宝石。而且我们不确定现在这些种类的钻石是否正在曾祖母克拉通之下忙碌地形成——我们最多只能说它们肯定是在太古代和元古代形成的。而且这些小家伙可能不是均匀分布的。您知道地质学就是这样:相当偶然。
好了,我们有了这些漂亮的钻石晶体,都长大了。但它们不能在穿过地壳的过程中进行感伤的旅行,沿途停下来欣赏风景。如果运输它们的岩浆中含有氧气,在那些温度和压力下,这些美丽的坚硬、闪闪发光的透明碳岩石在到达矿井之前很久就会变成二氧化碳。意识到地球上最坚硬的物质之一,我们认为几乎坚不可摧的东西,竟然如此脆弱,以至于它本不应该在没有变成温室气体的过程中到达这里,这有多么奇怪?
钻石需要快速穿过地幔到地表近两百公里的距离才能生存。就像地球上只有两种地方可以形成钻石一样,也只有两种过程可以超高速地运输它们。抓住扶手,亲爱的们,因为接下来会非常爆炸性。
参考文献:
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Kelley,S.P. 和 Wartho,J-A. (2000): "快速的金伯利岩上升和异岩金云母中 Ar-Ar 年龄的重要性。" 科学,第 289 卷,第 5479 期,第 609-611 页。
Mitchell,R.H. (1991): "金伯利岩和钾镁煌斑岩:钻石的主要来源。" 加拿大地球科学,第 18 卷,第 1 期,第 1-6 页。
Sparks 等人 (2006): "金伯利岩火山作用的动力学约束。" 火山学和地热研究杂志,第 155 卷,第 1-2 期,第 18-48 页。