[寶石雜談]鉆石恒久遠記錄永流傳新研究揭示早期地球地質演化歷史

wanbao  于 4 天前 回帖獎勵 |閱讀模式
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                    一顆恒久遠的鉆石,記錄的可能不僅僅是愛情,還有古老的地下儲集層。
        一項新分析表明,鉆石中微觀內含物中發現的氣體來自一個穩定的地下儲集層,它至少與月球一樣古老,隱藏在海平面以下410多千米的地幔中。
        長期以來,科學家一直懷疑,在地殼和地核間的地幔中,存在著一個巨大的巖石儲藏庫,其自地球形成以來,相對沒有受到干擾。但到目前為止,還沒有確鑿的證據證明它是否存在或存在于何處。
        現在,一個國際科學家小組測量了由火山爆發帶到地表的超深鉆石中所含的氦同位素,以探測這個古老儲存庫的蹤跡。這項工作將于8月23日在西班牙巴塞羅那舉行的戈德施密特會議上展示,并已于8月15日發表在《科學》上。
        “以前的研究一直爭論上地幔還是下地幔的位置、是否存在原始儲集層,如今,為了保存一個原始的儲集層,科學家提出了下地幔(>660千米)的起源。”該研究負責人、澳大利亞國立大學的Suzette Timmerman告訴《中國科學報》。
        消失的遠古結構
        地球形成后,劇烈的地質活動和天體撞擊破壞了這顆年輕的行星,這意味著地球的原始結構幾乎已不復存在。
        在20世紀80年代,地球化學家注意到,在某些特定位置的玄武巖熔巖中,氦3與氦4同位素的比值高于預期,這與在墜落地球的極古老隕石中發現的同位素比值相符。這表明這些熔巖攜帶的物質來自地球深處的某種儲集層,其成分在過去40億年里沒有發生顯著變化。
        “這種模式在洋島玄武巖中已經被觀察到。這些玄武巖是從地球深處噴發出來的熔巖,形成了夏威夷和冰島等島嶼。”Timmerman說。
        板內洋島玄武巖巖漿作用在成因上通常被認為與“熱點”或地幔柱有關。因此,在討論地幔柱假說時,人們不可避免地要討論為什么洋島玄武巖在地球化學上高度富集。然而,洋島玄武巖源區物質的來源至今并不清楚,且頗有爭議。
        問題是,盡管這些玄武巖被帶到了地表,但人們只能看到它們漫長歷史的一小部分。科學家對這些熔巖的來源——地幔知之甚少。
        “由于不能直接進入地幔,我們不得不依靠在地球表面找到的物質了解地球內部的一些情況。很明顯,這給我們弄清楚地幔中發生了什么帶來了一些挑戰。”Timmerman說。
        地球歷史記錄者
        為了解決這個問題,Timmerman團隊研究了超深鉆石中的氦同位素比率。
        大多數鉆石是在地殼以下150至230千米處形成的,然后由熔巖帶到地表。非常偶然地,一些超深鉆石(產生于地球表面以下230至800千米)也會被帶到地表。這些超深鉆石與普通鉆石明顯不同。
        “鉆石是已知最堅硬、最堅不可摧的天然物質,所以它們形成了一個完美的時間膠囊,為我們打開了一扇通往地球深處的窗戶。”Timmerman說。
        20世紀80年代末,研究人員就在鉆石中陸續發現了來自地球更深處的包裹體,其形成深度至少達700千米,即位于下地幔。
        中科院地質與地球物理研究所礦產資源研究實驗室研究員范宏瑞在接受《中國科學報》采訪時曾表示,這里的鉆石更有可能穩定生長,體積更大,凈度也更好,因此能作為研究深部地質的直接對象。
        原始(古)儲集層一定是通過與地幔其余部分隔離而保存下來的。“當然,它可以封裝在鉆石中。”Timmerman說。
        研究人員從巴西捷那23顆超深鉆石中提取了氦氣。
        氦同位素是了解地球結構強有力的化學工具,因為它們的組成在不同儲層中是非常不同的。例如,玄武巖的氦同位素組成在模型中起著至關重要的作用。
        有力的化學工具
        與洋中脊玄武巖相比,與地幔柱有關的玄武巖的氦3/氦4比值較高,這被認為是原始未脫氣儲集層的主要證據,該儲層存在于地球的下地幔中。然而,根據下地幔板塊俯沖的地球物理證據,這種儲集層在地球歷史上的保存一直受到質疑。此外,玄武巖中的氦同位素易受脫氣(失去大部分氦)和地殼污染等因素影響。
        “深地幔的氦同位素組成很難直接測量,因為形成玄武巖的熔體在上升過程中會發生變化,且在地表附近會脫氣。”Timmerman說。
        這就是超深鉆石發揮作用的地方。超深鉆石有微小的氣泡,包含氦等元素,這些元素是在上升過程中被保存下來的,因其受到了鉆石的保護。
        研究人員采集的樣本數據顯示,他們從一個非常古老的儲集層中得到典型同位素組成,并證實了這些氣體是月球和地球碰撞前某個時期的殘留物。從鉆石的地球化學性質來看,研究人員知道它們形成于一個叫做“過渡帶”的區域,即在地球表面以下410至660千米。
        “這意味著這個看不見的儲存庫,從地球起源之時保存到現在,并一定在這個地區或下面。”Timmerman說。
        但這個儲集層的形式仍然存在疑問:它是一個大型的單一儲集層,還是有多個較小的古老層?儲集層到底在哪里,其全部化學成分是什么?
        研究人員表示,通過這項工作,人們開始將注意力集中在地球上現存最古老的相對未受干擾的物質上。
        未參與該研究的美國加州大學圣塔芭芭拉分校教授Matthew Jackson評論說,在確定地球深部原始儲集層的位置方面,該研究已經做了大量工作。“因此,這是一個有趣的結果,有很大的潛力繪制出氦3/氦4高比值區域在地球深處的位置。”他說。
        此外,氦在地幔條件下可以迅速擴散,因此,評估超深鉆石內部,或將鉆石帶到地表的熔巖的成分是否存在古代氦的特征,將非常重要。“這項工作是認識這些儲集層的重要一步,為進一步研究指明了方向。”Jackson說。
               
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