當超級大陸分裂時，鑽石會在地球表麵爆發。研究這些閃閃發光的寶石可以揭示我們星球深層曆史的秘密。（圖片來源:uux.cn/羅裏·麥克尼科爾《生活科學》）
（神秘的地球uux.cn）據生活科學（斯蒂芬妮·帕帕斯）：在8600萬年前的白堊紀末期，位於現在南非的一個火山裂縫轟隆隆地蘇醒了。在地表之下，數百英裏之下的岩漿向上噴射的速度就像高速公路上的汽車一樣快——如果那輛汽車正在穿過堅硬的岩石的話——咀嚼岩石和礦物質並以反向雪崩的方式將其帶向地表。
這在表麵上看起來像什麽已經被曆史遺忘了，但它可能和維蘇威火山的爆發一樣引人注目。它留下的是一係列胡蘿卜形狀的火成岩填充的管道，位於風化的白色低矮山丘下。
1869年，一個牧羊人在附近的河堤上發現了一塊巨大的閃閃發光的岩石，這一不起眼的景觀因此聲名狼藉。這塊石頭是一顆巨大的鑽石，最終被稱為“非洲之星”，白色的山丘隱藏著後來成為金伯利礦的地方，金伯利礦是南非鑽石熱潮的中心，很可能是地球上有史以來最大的人工挖孔。
由於金伯利礦，通常被稱為“大洞”，發現鑽石的地層現在被稱為金伯利岩。這些地層分布在全球各地，從烏克蘭到西伯利亞到西澳大利亞，但它們相對較小且罕見。它們的特別之處在於它們的岩漿來自深處。關於它到底有多深仍有疑問，但已知它們來自於熱對流地幔邊界的大陸底部。有些可能起源於更深的地方，在上地幔和下地幔之間的過渡區。
1869年，南非的一個牧羊人在山裏發現了一顆巨大的鑽石，金伯利礦由此誕生。礦井已經關閉，這個“大洞”，可能是有史以來最大的人工挖掘的洞，充滿了水。（圖片來源:uux.cn/Hans ZúIgA Rojas via Getty Images）
因此，這些岩漿進入非常深、非常古老的岩石，它們與其他隻發生在地球深層的過程相互作用——即鑽石的形成。要將普通的碳結晶成堅硬閃亮的鑽石需要巨大的壓力，因此這些寶石至少在岩石圈最深處93英裏（150公裏）處形成，岩石圈是地殼和相對堅硬的上地幔的科學術語。一些被稱為岩石圈下鑽石的鑽石形成得更深，深達約435英裏（700公裏）。金伯利岩在它們噴發到地表的過程中，捕獲鑽石並將其拖入上地殼，使其相對完好無損，有時甚至含有來自地幔本身的流體。
研究人員很早就知道，隨著構造板塊相互擠壓，它們將碳從地表拖到深處，在那裏碳可以結晶成鑽石。現在，他們開始看到下沉的東西一定會（有時）浮上來，碳的這種再現——現在被壓製成閃閃發光的寶石——也與構造板塊的運動有關。特別是，當超級大陸分裂時，鑽石似乎會爆發。
“雖然這些是不同的過程，但鑽石和金伯利岩一起可以告訴我們超大陸時代的生命周期，”瑞士伯爾尼大學研究鑽石的地質學家Suzette Timmerman說。
浮出水麵
沒有人親眼見過金伯利岩噴發。在過去的5000萬年裏，火山很少爆發。最近一次可能的火山爆發發生在1萬年前的坦桑尼亞伊格維西山。澳大利亞科廷大學的研究員雨果·奧利耶魯克說，不僅如此，金伯利岩中的主要物質橄欖石在地表很快就會風化。
這使得研究金伯利岩具有挑戰性。例如，科學家們對地幔中熔融岩石的原始來源的化學性質感到困惑，也對金伯利岩如何設法穿透地球科學家所謂的“克拉通”的穩定內核感到困惑。克拉通是大陸內部通常抵抗分裂的厚厚部分。
最近的一些研究為這種現象的發生勾畫出了一個新的解釋。第一個線索是時機。加拿大不列顛哥倫比亞大學的火山學家凱利·拉塞爾說，人們早就注意到金伯利岩活動的脈衝似乎與超級大陸分裂的大致時間一致。挪威北極大學（Arctic University of Norway）的地球科學家塞巴斯蒂安·塔普（Sebastian Tappe）在2018年領導的一項研究對這一時間巧合進行了全球觀察，發現這一巧合是正確的:大約12億年前至10億年前，超大陸努納大陸分裂前後出現了金伯利岩噴發高峰。
根據2018年的研究，另一個脈衝發生在6億至5億年前，恰逢超級大陸羅迪尼亞的分裂，隨後是4億至3.5億年前的一個較小脈衝。但最豐富的時期發生在2.5億至5000萬年前，占所有已知金伯利岩的62.5%。這個範圍恰好與超大陸泛古陸的分裂相吻合。對一些研究人員來說，這表明超大陸循環對金伯利岩噴發至關重要。
“這些大陸的分裂是將這些鑽石從這些深處取出的基礎，”奧利耶魯克告訴《現場科學》。
奧利耶魯克和他的團隊最近分析了西澳大利亞一個地層中不尋常的粉色鑽石的年齡，發現它們可能在大約13億年前出現在地表，在努納分裂的窗口內。奧利耶魯克說，這項新發現將鑽石與大陸地殼的拉伸聯係起來。
他說:“正是這些擴張力使那些深層岩漿的小囊袋上升到頂部。”
金伯利岩的進軍
金伯利岩形成於大陸底部，當它們快速上升時，它們捕獲了更深層次的鑽石，並通過金伯利岩管道將其拖到地表。（圖片來源:uux.cn/羅裏·麥克尼科爾《生活科學》）
然而，棘手的問題是這是如何發生的。要獲得金伯利岩，有兩個關鍵因素:富含流體的深層熔融岩石，以及可能將熔融物帶到地表的大陸破裂。沒有人知道金伯利岩熔體的形成原因，但金伯利岩的化學成分與從中熔化的地幔岩非常不同。金伯利岩還富含水和二氧化碳等揮發物，這是它們浮力大、速度快的原因。它們穿過地殼，就像香檳衝過開瓶器一樣，以高達83英裏/小時（134公裏/小時）的速度上升。相比之下，夏威夷等地火山噴出的岩漿最高時速約為13.5英裏/小時（21.7公裏/小時）。
2023年8月的一項研究使用計算機建模來弄清楚金伯利岩是如何穿透大陸厚厚的心髒的。研究人員發現大陸地殼撕裂的裂穀過程是關鍵。拉伸在大陸的表麵和底部都產生了高峰和低穀。在底部，這些鋸齒狀的邊緣使溫暖的地幔物質上升，然後冷卻和下降，形成漩渦。這些漩渦混合了來自大陸底部的物質，形成了泡沫狀、漂浮的金伯利岩，然後這些金伯利岩會衝向表麵，攜帶著它們可能在上升過程中碰巧遇到的任何鑽石。
這一過程始於大陸分裂的地方，但模擬顯示，這些漩渦形成的鋸齒狀區域破壞了克拉通上鄰近區域的穩定，在越來越靠近大陸內部的地方產生了同樣的動力。結果是金伯利岩噴發的模式開始於裂穀帶附近，但逐漸進入穩定的地殼區域。領導這項研究的英國南安普頓大學地質學家托馬斯·格農說，這一緩慢的過程解釋了為什麽金伯利岩脈直到大斷裂開始後一段時間才會達到峰值。
“你會看到這些金伯利岩峰似乎是在大型超級大陸分裂後出現的，”他說。“但這不僅僅是一錘子買賣；這可能會在超大陸分裂後持續相當長的時間。”
不穩定性形成於大陸邊緣，但在數百萬年後向“克拉通”中心遷移。（圖片來源:uux.cn/Rory McNicol for Live Science，改編自Gernon等人，2023年出版。)
塔佩說，金伯利岩在大陸底部可能很常見。他2018年關於金伯利岩和超大陸斷裂的研究得出了與格農類似的結論。塔佩和他的團隊發現，這些熔體可能在泛古陸解體期間尤為突出，因為自地球凝固以來一直在緩慢冷卻的地幔在大約2.5億年前達到了恰到好處的溫度，以使金伯利岩型熔體占主導地位。在此之前，該地區的岩石可能太熱，無法獲得使金伯利岩如此噴發的熔融物和揮發性物質的組合。這可能是大多數金伯利岩鑽石礦可以追溯到泛古陸分裂時期的原因之一。
菱形中的信息
正如曾經覆蓋著金伯利礦的暗淡的白色山丘所證明的那樣，金伯利岩本身對其起源的地幔知之甚少。它們會在幾年內風化，在化學層麵上失去大部分使它們變得有趣的東西。然而，金伯利岩中攜帶的鑽石卻是另一回事。它們有自己的形成曆史，與金伯利岩岩漿本身的形成不一致。但它們在地表下數百英裏處的偶然相遇意味著，原本看不到陽光的地幔碎片可以到達人類手中。
這些碎片是鑽石形成時的微小流體袋。許多這些“內含物”可以追溯到幾億年前，而少數標本的年齡以十億計。此外，其中一些鑽石形成於地幔深處，因此某些石頭可以攜帶遠至地幔和地核之間邊界的物質。
“隻有在金伯利岩中，我們才能看到來自400公裏（250英裏）甚至2000公裏（1200英裏）的樣本，”不列顛哥倫比亞大學鑽石勘探教授瑪雅·科皮洛娃說。“地球上沒有其他岩漿能做到這一點。”
庫裏南原鑽是已知最大的寶石級原鑽，於1905年從金伯利礦開采出來。像這樣的鑽石可能來自地球深處，揭示了地球數十億年的曆史。（圖片來源:uux.cn/公共領域）
雖然鑽石的爆發可以追溯超大陸分裂的故事，但它們的形成也可能為大陸如何聚集提供線索。在2023年10月發表在《自然》雜誌上的一項研究中，蒂默曼研究了來自巴西和幾內亞的鑽石，這些鑽石形成於186至434英裏深（300至700公裏）之間。通過對鑽石中的流體包裹體進行年代測定，蒂默曼和她的同事估計鑽石形成於大約6.5億年前，當時超大陸岡瓦納大陸正在形成。蒂默曼告訴《生活科學》雜誌，這些鑽石可能附著在大陸底部，並在那裏停留了數千年，直到白堊紀岡瓦納大陸分裂，金伯利岩將它們帶到了地表。
蒂默曼說，這些超深鑽石的重要之處在於它們有助於解釋大陸是如何生長的。當海洋地殼擠壓大陸地殼時，超級大陸就形成了。這個過程被稱為俯衝，將大洋兩側的兩塊大陸拉得更近。同樣的俯衝將碳帶到深處，在那裏碳可以被壓縮成鑽石。
蒂默曼解釋說，在地幔深處，這些俯衝板塊的碎片會漂浮起來，並帶著超深鑽石重新上升。這種物質可能會附著在大陸的底部數千年，幫助它們從下麵生長。這也可以解釋超深層鑽石如何落在金伯利岩可以捕捉到它們的地方。
蒂默曼說:“深鑽石可以讓我們更多地了解俯衝過程、地幔對流、液體-岩石相互作用和超大陸周期中地殼下方發生的其他過程。”
她補充說，還有許多其他問題需要回答。例如，科學家仍然不知道俯衝板塊如何改變超級大陸的基礎，以及這是否會影響超級大陸在分裂前持續的時間。另一個懸而未決的問題是這種回收的地殼物質是否影響金伯利岩岩漿形成的時間和地點。
古老的鑽石也可能告訴我們地球混亂曆史中的其他裏程碑。
奧利洛克說，一些鑽石是由地球形成時融入其中的碳鍛造而成的，而另一些則是由遠古生命中的碳隨著俯衝地殼板塊一起形成的。通過分析鑽石內含物中碳的分子結構，可以判斷鑽石的形成過程。因此，這些包裹體可以掌握地球曆史上模糊數字的秘密，例如大規模俯衝開始的時間或海洋生命盛行的時間。
但是為了得到這些答案，研究人員需要更好地計算鑽石的年齡。他們需要更多古老的、來自最深處的鑽石。
“從最近的超級大陸分裂到之前的分裂，”奧利耶魯克說，“我強烈懷疑還有很多東西有待發現。”
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