內容摘要：當超級大陸分裂時，鉆石會在地球表面爆發。研究這些閃閃發光的寶石可以揭示我們星球深層歷史的秘密。圖片來源:uux.cn/羅里·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）
當超級大陸分裂時，鉆石會在地球表面爆發。球中研究這些閃閃發光的心噴
寶石可以揭示我們星球深層歷史的秘密。（圖片來源:uux.cn/羅里·麥克尼科爾《生活科學》）
（神秘的鉆石地球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，位于現在南非的噴泉一個火山裂縫轟隆隆地蘇醒了。在地表之下，揭示數百英里之下的陸消歷史巖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巖石的話——咀嚼巖石和礦物質并以反向雪崩的方式將其帶向地表。
這在表面上看起來像什么已經被歷史遺忘了，從地超但它可能和維蘇威火山的球中爆發一樣引人注目。它留下的心噴是一系列胡蘿卜形狀的火成巖填充的管道，位于風化的鉆石白色低矮山丘下。
1869年，噴泉一個牧羊人在附近的揭示河堤上發現了一塊巨大的閃閃發光的巖石，這一不起眼的陸消歷史景觀因此聲名狼藉。這塊石頭是從地超一顆巨大的鉆石，最終被稱為“非洲之星”，白色的山丘隱藏著后來成為金伯利礦的地方，金伯利礦是南非鉆石熱潮的中心，很可能是地球上有史以來最大的人工挖孔。
由于金伯利礦，通常被稱為“大洞”，發現鉆石的地層現在被稱為金伯利巖。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。
它們的特別之處在于它們的巖漿來自深處。關于它到底有多深仍有疑問，但已知它們來自于熱對流地幔邊界的大陸底部。有些可能起源于更深的地方，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里發現了一顆巨大的鉆石，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，這些巖漿進入非常深、非常古老的巖石，它們與其他只發生在地球深層的過程相互作用——即鉆石的形成。要將普通的碳結晶成堅硬閃亮的鉆石需要巨大的壓力，因此這些寶石至少在巖石圈最深處93英里（150公里）處形成，巖石圈是地殼和相對堅硬的上地幔的科學術語。一些被稱為巖石圈下鉆石的鉆石形成得更深，深達約435英里（700公里）。金伯利巖在它們噴發到地表的過程中，捕獲鉆石并將其拖入上地殼，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，在那里碳可以結晶成鉆石。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——現在被壓制成閃閃發光的寶石——也與構造板塊的運動有關。特別是，當超級大陸分裂時，鉆石似乎會爆發。
“雖然這些是不同的過程，但鉆石和金伯利巖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鉆石的地質學家Suzette Timmerman說。
浮出水面
沒有人親眼見過金伯利巖噴發。在過去的5000萬年里，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，金伯利巖中的主要物質橄欖石在地表很快就會風化。
這使得研究金伯利巖具有挑戰性。例如，科學家們對地幔中熔融巖石的原始來源的化學性質感到困惑，也對金伯利巖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巖活動的脈沖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后出現了金伯利巖噴發高峰。
根據2018年的研究，另一個脈沖發生在6億至5億年前，恰逢超級大陸羅迪尼亞的分裂，隨后是4億至3.5億年前的一個較小脈沖。但最豐富的時期發生在2.5億至5000萬年前，占所有已知金伯利巖的62.5%。這個范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巖噴發至關重要。
“這些大陸的分裂是將這些鉆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鉆石的年齡，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，這項新發現將鉆石與大陸地殼的拉伸聯系起來。
他說:“正是這些擴張力使那些深層巖漿的小囊袋上升到頂部。”
金伯利巖的進軍
金伯利巖形成于大陸底部，當它們快速上升時，它們捕獲了更深層次的鉆石，并通過金伯利巖管道將其拖到地表。（圖片來源:uux.cn/羅里·麥克尼科爾《生活科學》）
然而，棘手的問題是這是如何發生的。要獲得金伯利巖，有兩個關鍵因素:富含流體的深層熔融巖石，以及可能將熔融物帶到地表的大陸破裂。沒有人知道金伯利巖熔體的形成原因，但金伯利巖的化學成分與從中熔化的地幔巖非常不同。金伯利巖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，就像香檳沖過開瓶器一樣，以高達83英里/小時（134公里/小時）的速度上升。相比之下，夏威夷等地火山噴出的巖漿最高時速約為13.5英里/小時（21.7公里/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巖是如何穿透大陸厚厚的心臟的。研究人員發現大陸地殼撕裂的裂谷過程是關鍵。拉伸在大陸的表面和底部都產生了高峰和低谷。在底部，這些鋸齒狀的邊緣使溫暖的地幔物質上升，然后冷卻和下降，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、漂浮的金伯利巖，然后這些金伯利巖會沖向表面，攜帶著它們可能在上升過程中碰巧遇到的任何鉆石。
這一過程始于大陸分裂的地方，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。結果是金伯利巖噴發的模式開始于裂谷帶附近，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么金伯利巖脈直到大斷裂開始后一段時間才會達到峰值。
“你會看到這些金伯利巖峰似乎是在大型超級大陸分裂后出現的，”他說。“但這不僅僅是一錘子買賣；這可能會在超大陸分裂后持續相當長的時間。”
不穩定性形成于大陸邊緣，但在數百萬年后向“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，金伯利巖在大陸底部可能很常見。他2018年關于金伯利巖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，以使金伯利巖型熔體占主導地位。在此之前，該地區的巖石可能太熱，無法獲得使金伯利巖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巖鉆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，金伯利巖本身對其起源的地幔知之甚少。它們會在幾年內風化，在化學層面上失去大部分使它們變得有趣的東西。然而，金伯利巖中攜帶的鉆石卻是另一回事。它們有自己的形成歷史，與金伯利巖巖漿本身的形成不一致。但它們在地表下數百英里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。
這些碎片是鉆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，其中一些鉆石形成于地幔深處，因此某些石頭可以攜帶遠至地幔和地核之間邊界的物質。
“只有在金伯利巖中，我們才能看到來自400公里（250英里）甚至2000公里（1200英里）的樣本，”不列顛哥倫比亞大學鉆石勘探教授瑪雅·科皮洛娃說。“地球上沒有其他巖漿能做到這一點。”
庫里南原鉆是已知最大的寶石級原鉆，于1905年從金伯利礦開采出來。像這樣的鉆石可能來自地球深處，揭示了地球數十億年的歷史。（圖片來源:uux.cn/公共領域）
雖然鉆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》雜志上的一項研究中，蒂默曼研究了來自巴西和幾內亞的鉆石，這些鉆石形成于186至434英里深（300至700公里）之間。通過對鉆石中的流體包裹體進行年代測定，蒂默曼和她的同事估計鉆石形成于大約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》雜志，這些鉆石可能附著在大陸底部，并在那里停留了數千年，直到白堊紀岡瓦納大陸分裂，金伯利巖將它們帶到了地表。
蒂默曼說，這些超深鉆石的重要之處在于它們有助于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。這個過程被稱為俯沖，將大洋兩側的兩塊大陸拉得更近。同樣的俯沖將碳帶到深處，在那里碳可以被壓縮成鉆石。
蒂默曼解釋說，在地幔深處，這些俯沖板塊的碎片會漂浮起來，并帶著超深鉆石重新上升。這種物質可能會附著在大陸的底部數千年，幫助它們從下面生長。這也可以解釋超深層鉆石如何落在金伯利巖可以捕捉到它們的地方。
蒂默曼說:“深鉆石可以讓我們更多地了解俯沖過程、地幔對流、液體-巖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沖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巖巖漿形成的時間和地點。
古老的鉆石也可能告訴我們地球混亂歷史中的其他里程碑。
奧利洛克說，一些鉆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沖地殼板塊一起形成的。通過分析鉆石內含物中碳的分子結構，可以判斷鉆石的形成過程。因此，這些包裹體可以掌握地球歷史上模糊數字的秘密，例如大規模俯沖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鉆石的年齡。他們需要更多古老的、來自最深處的鉆石。
“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。”
