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【前沿报道】Nature:下地幔信使——超深来源的含硼天然蓝钻包裹体研究
2018-08-06 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  蓝钻是天然钻石中极为罕见和珍贵的品种,仅占开采钻石总量的0.02%。在蓝钻的结构组成中,微量的硼替代了碳元素的位置,从而形成色心,吸收大部分超过500 nm的可见光,造就了蓝钻迷人的蓝色色彩。 

  钻石被认为是在地球深部的高温高压环境下形成的。在其晶体生长过程中,有可能随机地捕获其形成环境中的部分物质,即所谓的“包裹体”。这些包裹体被封闭在钻石中,通过一系列的地质活动,跟随钻石来到地表,成为我们研究地球深部环境,了解钻石形成条件的宝贵窗口。然而,长期以来,受制于蓝钻的稀有和昂贵,极少有科学家能大量的获取蓝钻进行深入的研究,甚至从未有过有关蓝钻中深部包裹体的公开报道。 

  201881日,美国宝石研究所(GIA)的Evan Smith及其合作者在Nature上发文,首次报道了天然蓝钻(图1)内部包裹体的相关信息,研究结果显示天然蓝钻不但具有特殊的颜色和组成,更重要的是具有远超其它钻石的超深来源,从而为揭示下地幔的环境、壳幔物质对流和轻元素的循环等提供了重要指示。  

1 研究中挑选的部分蓝钻(Smith et al., 2018

  得益于GIA在钻石分级上的领导性地位,Evan Smith及其合作者得以对两年内在GIA定级的蓝钻进行广泛地筛选,共挑出了46颗具有矿物包裹体的蓝钻,其中就包括世界上最大的浓彩蓝钻——库里南之梦Cullinan Dream)。在利用拉曼光谱技术对这些钻石内的矿物包裹体进行细致分析后, 史密斯等人发现,蓝钻内常见包裹体的主要矿物组合与地幔玄武岩、橄榄岩中的在深部地幔条件下形成的高压矿物组合成分极为接近,从而推测其包裹体内的矿物是相应高压矿物组合,如钙钛矿结构的硅酸钙、布里基曼石和镁铁榴石等矿物组合退变质的产物(图2。蓝钻包裹体中独特的矿物组合与常见钻石(通常认为形成于克拉通底部约200千米范围内的)中的包裹体具有明显的区别,指示其形成深度大于410-660千米的过渡带,甚至可能达到下地幔。为了进一步确认,史密斯等人还利用矿物包裹体内的残余压力,通过热力学手段计算了捕获条件下的压力条件,其结果也确认了这些钻石的超深来源。

2 蓝钻中的包裹体矿物组合(Smith et al., 2018     

  硼是典型的轻元素,主要富集在地球表面,在原始地幔中的含量极低。因此,超深来源的蓝钻中硼的来源具有重要意义。Smith等人提出,硼与水在俯冲板块中的行为类似,可以进入蛇纹石化洋壳中的矿物晶格,并随着板块俯冲进入深部地幔(图3)。考虑到相当数量的蓝钻包裹体中都检测到了CH4±H2的流体成分,这是C-O-H流体体系(Zhang and Duan, 2009)在还原条件下的典型成分特征,蓝钻的形成与还原含水流体相之间可能具有密切的关系。含硼蓝钻的研究为轻元素在地球不同圈层之间的地球化学循环提供了重要参考。    

3 IIb 型钻石的形成模型(Smith et al., 2018    

  值得注意的是,随着地球科学研究的不断深入,科学家们越来越认识到地球的不同圈层是一个有机的整体。一些传统上认为富集在地表的轻元素,逐渐被发现可能在地球深部过程中起到了重要作用,如过渡带矿物林伍德石中被发现存在大量的水(Pearson et al., 2014),沼铁矿可能携带水进入下地幔并释放出氢气(Hu et al., 2017),地球深部碳的总量可能远超人们关注的地表二氧化碳含量变化相关通量总和(Kelemen and Manning2015)等。超深来源蓝钻中包裹体的发现和进一步研究将为我们深入理解地球各圈层之间的相互作用及轻元素的循环提供重要参考。    

  相关参考文献 

  Hu Q, Kim D Y, Liu J, et al. Dehydrogenation of goethite in Earth’s deep lower mantle[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017: 201620644.原文链接 

  Kelemen P B, Manning C E. Reevaluating carbon fluxes in subduction zones, what goes down, mostly comes up[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015: 201507889.原文链接 

  Pearson D G, Brenker F E, Nestola F, et al. Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond[J]. Nature, 2014, 507(7491): 221-224.原文链接 

  Smith E M, Shirey S B, Richardson S H et al. Blue boron-bearing diamonds from Earth's lower mantle[J]. Nature, 2018, 560(7716): 84-87. 原文链接 

  Zhang C and Duan Z. A model for C–O–H fluid in the Earth’s mantle[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2009, 73(7): 2089-2102.原文链接     

  (撰稿:吕霖,张驰 

 
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