昂貴的鉆石往往被視為浪漫愛(ài)情的象征。今年8月，一顆天然藍(lán)鉆登上《自然》雜志的封面，不是因?yàn)樗�有多浪漫，而是因其背后�?ldquo;巨大信息量”。

在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所礦產(chǎn)資源研究實(shí)驗(yàn)室研究員范宏瑞看來(lái)，人們可以發(fā)射衛(wèi)星，知曉天外星球的存在，但對(duì)地球內(nèi)部的了解卻薄弱得多。

地球的內(nèi)核和覆蓋層是怎樣變遷運(yùn)動(dòng)的？地表的元素是如何被帶到地球深處，再?gòu)牡叵聰?shù)百千米返回至地上的？

范宏瑞表示，研究鉆石及其包裹的礦物質(zhì)，能為人們了解地球深部和地球演化提供許多思路。

“淡定”信使

從閃閃發(fā)光的鉆石、黑乎乎的石墨再到人體內(nèi)的蛋白質(zhì)，碳元素在地球上的形態(tài)千變?nèi)f化，因原子排列分布不同而性質(zhì)各異。

俗話(huà)說(shuō)：“沒(méi)有金剛鉆，別攬瓷器活。”范宏瑞表示，鉆石其實(shí)就是金剛石，能夠保持亞穩(wěn)定狀態(tài)上億萬(wàn)年，被包裹在鉆石內(nèi)部的礦物才不會(huì)受溫度、壓力等因素影響，從而達(dá)到新的化學(xué)平衡。

鉆石為何能在自然界中如此“淡定”？這跟它誕生的環(huán)境“壓力山大”有關(guān)。

地球內(nèi)部每深入1千米，壓力就會(huì)增加27.5兆帕斯卡，相當(dāng)于275個(gè)大氣壓。在上地幔巖石圈和軟流層的交界處，大約距地表150千米~200千米，壓力約為4.5萬(wàn)~6萬(wàn)個(gè)大氣壓，且伴隨著1000℃以上的高溫，鉆石就成為碳最穩(wěn)定的存在形式。

范宏瑞表示，20世紀(jì)80年代末，研究者在鉆石中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了來(lái)自地球更深處的包裹體，其形成深度至少達(dá)700千米，即位于下地幔。

“這里的金剛石更有可能穩(wěn)定生長(zhǎng)，體積更大，凈度也更好，因此是用來(lái)研究深部地質(zhì)的直接對(duì)象。”范宏瑞說(shuō)。

正因?yàn)殂@石有這樣的“真本事”，才能承擔(dān)起“信使”的責(zé)任。

穿越“蛋殼”

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理實(shí)驗(yàn)室副研究員張馳說(shuō)：“越來(lái)越多的證據(jù)表明，人們?cè)诘厍虮韺涌吹降默F(xiàn)象，往往與地球深處的運(yùn)動(dòng)有密切聯(lián)系。”

可是在半徑為6371千米的地球上，人類(lèi)向地下鉆出的孔最深不過(guò)1萬(wàn)多米。若將地球比作雞蛋，人類(lèi)目前能直接抵達(dá)的部分只有“蛋殼”。

鉆石如何幫助人們了解“蛋殼”之下的奧秘？科學(xué)家通過(guò)高溫高壓實(shí)驗(yàn)、熱力學(xué)模型計(jì)算等手段推測(cè)，下地幔的主要成分之一是一類(lèi)具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的硅酸鹽。因?yàn)樵诔�壓下處于亞穩(wěn)狀態(tài)，這類(lèi)物質(zhì)在地表非常罕見(jiàn)。

今年3月，一項(xiàng)發(fā)表在《自然》上的研究發(fā)現(xiàn)，一顆來(lái)自南非庫(kù)里南礦的鉆石內(nèi)部含有鈣硅酸鹽，且保留了高壓鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，論證了先前推測(cè)。

在今年8月初發(fā)表于《自然》雜志的封面文章中，美國(guó)寶石協(xié)會(huì)（GIA）的研究者與合作者通過(guò)研究“庫(kù)里南之夢(mèng)”等天然藍(lán)鉆，發(fā)現(xiàn)其中有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的硅酸鹽結(jié)構(gòu)殘余，與下地幔的主要成分相吻合，證明了它們從地球深處來(lái)的“身份”。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)藍(lán)鉆中存在硼元素。這種主要存在于地表的輕元素是如何進(jìn)入下地幔的？張馳表示，這極有可能意味著原來(lái)位于地表的硼由于板塊碰撞和俯沖進(jìn)入地幔，再伴隨巖漿活動(dòng)與藍(lán)鉆一同返回地表。“這體現(xiàn)了元素在地表和地球深部之間復(fù)雜的遷移循環(huán)過(guò)程。”張馳補(bǔ)充道。

看清“真心”

鉆石內(nèi)部如此大的信息量，科學(xué)家是怎么看出來(lái)的？張馳表示，研究鉆石包裹體中的礦物成分和微觀(guān)結(jié)構(gòu)，需要用到不同方法。比如前文提到的研究中，美國(guó)寶石協(xié)會(huì)的科學(xué)家主要采用了一種名為激光拉曼光譜檢測(cè)的技術(shù)。

這種技術(shù)快速、簡(jiǎn)便且無(wú)損，能夠迅速鑒定物相、精細(xì)地分析物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)。

張馳介紹，拉曼光譜是一種光的非彈性散射。光在通過(guò)特定物質(zhì)時(shí)，部分散射光的能量會(huì)發(fā)生微小的變化，而這種變化與對(duì)應(yīng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)。將激光聚焦在鉆石包裹體上，即可獲得相應(yīng)的光譜信息。由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，獲取到的信息也不一樣，“因此能分析出鉆石包裹體內(nèi)存在的礦物形式和流體組成”。

此外，研究者還可利用鉆石包裹體內(nèi)的殘余壓力，通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算等方法，還原出鉆石捕獲時(shí)所處環(huán)境的壓力條件，進(jìn)一步確定鉆石的來(lái)源深度。

范宏瑞表示，研究鉆石等包裹體礦物的元素含量能夠反演金剛石源區(qū)的礦物、巖石學(xué)特征，以及地幔流體特征和地幔過(guò)程，“這對(duì)探索地球深部演化、氣候變化、化石能源成因等問(wèn)題都具有重要意義”�！�

研究所涉及的部分藍(lán)鉆