从地心喷发的钻石喷泉揭示了超级大陆失落的历史

当超级大陆分裂时，钻石似乎会在大规模火山喷发中到达地球表面，当大陆聚集在一起时，钻石就会形成。

8600 万年前的白垩纪末期，现在南非境内的一条火山裂缝隆隆作响。在地表以下，数百英里处的岩浆向上喷射的速度就像高速公路上的汽车一样快——如果那辆车在坚硬的岩石中快速行驶的话——吞噬岩石和矿物质，并以反向雪崩的方式将它们带向地表。

从表面上看，这一切已经消失在历史中，但它可能与维苏威火山的喷发一样引人注目。它留下的是一系列胡萝卜形状的、充满火成岩的管道，这些管道位于低矮、风化的白色山丘下。

1869 年，一位牧羊人在附近的河岸上发现了一块闪闪发光的巨大岩石，这让这片不起眼的景观陷入了臭名昭著。这块岩石是一颗巨大的钻石，最终被称为“非洲之星”，白色的山丘隐藏着后来的金伯利矿，它是南非钻石热的中心，也很可能是地球上迄今为止手工挖出的最大的矿洞。

由于金伯利矿（通常被称为“大洞”），发现钻石的地层现在被称为金伯利岩。这些地层遍布全球，从乌克兰到西伯利亚再到西澳大利亚，但它们相对较小且罕见。它们的特别之处在于它们的岩浆来自很深处。关于具体有多深仍然存在疑问，但已知它们是从炎热的对流地幔边界的大陆底部下方产生的。有些可能起源于更深的地方，位于上地幔和下地幔之间的过渡处。

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因此，这些岩浆侵入非常深、非常古老的岩石，并与仅发生在地球深处的其他过程相互作用，即钻石的形成。要将普通的碳结晶成坚硬、闪闪发光的钻石需要巨大的压力，因此这些宝石形成于至少 93 英里（150 公里）深处的岩石圈最深处，岩石圈是地壳和相对坚硬的上地幔的科学术语。有些被称为亚岩石圈钻石，形成得更深，深达约 435 英里（700 公里）。金伯利岩在喷发到地表的过程中，捕获钻石并将它们拖入上地壳，使它们相对毫发无损，有时甚至含有来自地幔本身的液体。

研究人员早就知道，当构造板块相互研磨时，它们会将碳从表面拖到可以结晶成钻石的深处。现在，他们开始认识到，下降的东西（有时）必定会上升，而且碳的重新出现（现在被压制成闪闪发光的宝石）也与构造板块的运动有关。特别是，当超级大陆分裂时，钻石似乎会喷发。

“虽然这些是不同的过程，但钻石和金伯利岩一起可以告诉我们超大陆时代的生命周期，”瑞士伯尔尼大学研究钻石的地质学家 Suzette Timmerman 说。

浮出水面

没有人亲眼目睹过金伯利岩喷发。过去5000万年里，喷发次数很少，最近一次可能的喷发发生在坦桑尼亚的伊格维西山，发生在10000多年前。澳大利亚科廷大学研究员Hugo Olierook表示，不仅如此，金伯利岩中的主要物质——橄榄石矿物也会在表面迅速风化。

这使得研究金伯利岩变得具有挑战性。例如，科学家们对地幔中熔化的岩石的原始来源的化学成分感到困惑，也对金伯利岩如何设法穿透地球科学家所说的“克拉通”的稳定核心——大陆厚重的内部部分，感到困惑。通常会抵制干扰。

最近的一些研究正在为这种情况发生的原因提供新的解释。第一个线索是时机。加拿大不列颠哥伦比亚大学的火山学家凯利·拉塞尔 (Kelly Russell) 表示，长期以来人们一直注意到金伯利岩活动的脉冲似乎与超大陆分裂的大致时间相对应。由挪威北极大学地球科学家Sebastian Tappe领导的2018年研究对这一时间巧合进行了全球审视，结果发现：出现了峰值大约 12 亿年前至 10 亿年前，努纳超大陆分裂周围的金伯利岩喷发。

根据 2018 年的研究，另一次脉冲发生在 6 亿至 5 亿年前，恰逢超大陆罗迪尼亚的分裂，随后在 4 亿至 3.5 亿年前发生了一次较小的脉冲。但最多产的时期发生在 2.5 亿至 5000 万年前，占所有已知金伯利岩的 62.5%。这个范围恰好与超级大陆盘古大陆的分裂同时发生。对于一些研究人员来说，这表明超大陆循环对于金伯利岩喷发至关重要。

“这些大陆的分裂对于将这些钻石从这些深处开采出来至关重要，”奥利鲁克告诉《生活科学》。

Olierook 和他的团队最近分析了来自澳大利亚西部地层的不寻常粉红色钻石的年龄，发现它们很可能在大约 13 亿年前在努纳分裂的窗口内来到地表。奥利鲁克说，这一新发现将钻石与大陆地壳的伸展联系起来。

他说：“正是这些拉伸力使这些小块的深层岩浆上升到顶部。”

金伯利岩的进军

然而，棘手的问题是这是如何发生的。要获得金伯利岩，有两个关键成分：富含流体的深层熔化岩石，以及可能将熔化物带到地表的大陆破坏。没有人知道金伯利岩熔体形成的原因是什么，但金伯利岩的化学成分与其熔化的地幔岩石的化学成分非常不同。金伯利岩还富含水和二氧化碳等挥发物，这使得它们具有如此高的浮力和高速。它们冲破地壳，就像香槟冲进未开塞的瓶子一样，以高达 83 英里/小时（134 公里/小时）的速度上升。相比之下，从夏威夷等地的火山流出的岩浆最大流速约为 13.5 英里/小时（21.7 公里/小时）。

2023 年 8 月的一项研究使用计算机建模来弄清楚金伯利岩如何冲破厚厚的大陆中心。研究人员发现，大陆地壳分裂的裂谷过程是关键。拉伸在大陆的表面和底部形成了山峰和山谷。在底部，这些锯齿状边缘使温暖的地幔物质上升，然后冷却并下降，形成漩涡。这些漩涡混合了来自大陆底部的物质，形成了泡沫状、有浮力的金伯利岩，然后金伯利岩可以冲向地表，携带着它们在上升过程中可能遇到的任何钻石。

这一过程开始于大陆分裂的地方，但模型显示，这些锯齿状的涡流形成区域破坏了克拉通邻近区域的稳定，在越来越接近大陆内部的地方产生了同样的动态。结果是金伯利岩喷发的模式从裂谷带附近开始，但逐渐进入稳定的地壳区域。领导这项研究的英国南安普顿大学地质学家托马斯·杰农 (Thomas Gernon) 表示，这种缓慢的行进解释了为什么金伯利岩脉冲要到大分裂开始后不久才会达到峰值。

“你会看到这些金伯利岩峰似乎是在大型超级大陆分裂后出现的，”他说。 “但这不仅仅是一次性的事情；它可能会在超大陆分裂后持续相当长的时间。”

塔佩说，金伯利岩在大陆底部可能相当常见。他 2018 年对金伯利岩和超大陆分裂的研究得出了与格农类似的结论。塔普和他的团队发现，这些熔体在盘古大陆分裂期间可能特别突出，因为自地球凝固以来一直在缓慢冷却的地幔在大约 2.5 亿年前达到了金伯利岩型熔体占主导地位的适当温度。在此之前，该地区的岩石可能太热，无法获得使金伯利岩如此喷发的熔化物和挥发性物质的组合。这可能是大多数金伯利岩钻石矿源自盘古大陆分裂的原因之一。

钻石中的消息

正如曾经覆盖金伯利矿的暗淡白色山丘所证明的那样，金伯利岩本身并不能说明它们起源的地幔。它们会在几年内风化，失去大部分在化学层面上有趣的东西。然而，金伯利岩中携带的钻石却是另一回事。它们有自己的形成历史，与金伯利岩岩浆本身的形成并不相符。但它们在地表以下数百英里的地方偶然相遇，意味着原本永远见不到阳光的地幔碎片也能到达人类的手中。

这些钻头是钻石形成时的微小流体。许多这些“内含物”的历史可以追溯到数亿年前，而一些样本计算其年龄为数十亿年。另外，其中一些钻石形成于地幔深处，因此某些宝石可以携带远至地幔和地核之间边界的物质。

“只有在金伯利岩中，我们才能看到来自 400 公里 [250 英里]，甚至 2,000 公里 [1,200 英里] 深处的样本，”不列颠哥伦比亚大学钻石勘探教授 Maya Kopylova 说道。 “地球上没有其他岩浆能做到这一点。”

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虽然钻石的喷发可以追溯到超级大陆分裂的故事，但它们的形成也可能为大陆如何聚集在一起提供线索。在 2023 年 10 月发表在《自然》杂志上的一项研究中，蒂默曼研究了来自巴西和几内亚的钻石，这些钻石形成于 186 至 434 英里深（300 至 700 公里）之间。通过对钻石内的流体包裹体进行年代测定，蒂默曼和她的同事估计钻石形成于大约 6.5 亿年前，当时冈瓦纳超大陆正在形成。蒂默曼告诉《生活科学》杂志，这些钻石可能粘在大陆底部，并在那里停留了数千年，直到白垩纪时期冈瓦纳大陆破裂，金伯利岩将它们带到了地表。

蒂默曼说，这些超深钻石的重要之处在于它们有助于解释大陆如何生长。当海洋地壳挤压大陆地壳时，超级大陆就形成了。这个过程称为俯冲，将海洋两侧的两块大陆拉得更近。同样的俯冲作用将碳带到深处，在那里它可以被压缩成钻石。

蒂默曼解释说，在地幔深处，这些俯冲板块的碎片会变得有浮力并重新升起，并携带超深钻石。这种物质可能会粘附在大陆底部数千年，帮助它们从下面生长。它还可以解释超深钻石如何降落在金伯利岩可以捕获它们的地方。

蒂默曼说：“深部钻石可以让我们更多地了解俯冲过程、地幔对流、液体-岩石相互作用以及超大陆循环期间地壳下方发生的其他过程。”

她补充说，还有许多其他问题需要回答。例如，科学家仍然不知道俯冲板块如何改变超级大陆的底部，以及这是否会影响超级大陆在分裂之前持续的时间。另一个悬而未决的问题是，这种回收的地壳物质是否会影响金伯利岩岩浆形成的时间和地点。

古代钻石还可能告诉我们地球混乱历史中的其他里程碑。

奥利鲁克说，一些钻石是由地球形成时融入的碳形成的，而另一些钻石则是由古代生命中的碳形成的，与俯冲地壳板一起被拖拽下来。通过分析钻石内含物中碳的分子结构，可以判断钻石是由哪种过程形成的。因此，这些包裹体可以隐藏有关地球历史上模糊数字的秘密，例如大范围俯冲何时开始或海洋中的生命何时开始普遍存在。

但为了得到这些答案，研究人员需要更好地弄清楚钻石的年龄。他们需要更多古老且来自最深处的钻石。

奥利鲁克说：“从最近的超级大陆分裂到之前的分裂，我强烈怀疑还有很多东西有待发现。”