Nature封面：“海洋之心”这类蓝钻从哪儿来？-海洋之心是钻石还是蓝宝石

2023-05-12 11:06:25

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说起蓝色钻石，可能不少人会想起“小李子”莱昂纳多•迪卡普里奥代表作《泰坦尼克号》中的“海洋之心”，在赚足眼泪和票房的同时，这部电影还实实在在地推动了钻石的消费。（突然惊觉，这都是二十年前的电影了，那时的小李子还是个小鲜肉……）

女主角Rose与“海洋之心”。图片来源：电影《泰坦尼克号》

但实际上，“海洋之心”是虚构的，仅存在于电影情节中，它在现实世界中的原型是一颗名为“希望”（Hope）的蓝钻，现存于美国自然历史博物馆。而《泰坦尼克号》电影拍摄过程中使用的“海洋之心”道具，则是一颗蓝色的坦桑石（tanzanite），属于硅酸盐类化合物，因发现于坦桑尼亚而得名。

“希望”之钻。图片来源：Chip Clark / Smithsonian Institution

再介绍一下蓝宝石（sapphire）和蓝钻（blue diamond）的区别。通常蓝宝石指的是刚玉类宝石，主要成分为氧化铝（Al2O3），因其含有铁、钛、铬、铜等微量元素而呈现蓝色（或红色）。与其他钻石一样，蓝钻主要成分是碳，某些条件下燃烧也会变成二氧化碳（点击观看钻石燃烧视频），而蓝钻迷人的蓝色要归因于其中含有的微量硼（boron）元素。而钻石的闪烁及亮光的主要决定因素是其切工（cut），而非其他因素。（没有点化学知识，还真搞不懂不同类型的宝石……）

这种含硼的蓝色钻石又被地质学家称为IIb型（type IIb）钻石，由于其相当罕见且非常珍贵，地质学家很难获得足够的研究样本，它们地质起源到如今也一直是个谜。日前，美国宝石研究院（GIA）的Evan Smith及其合作者对两年内在GIA检验的蓝钻进行广泛地筛选，挑出了46颗具有矿物包裹体的蓝钻，其中包括当今世界上最大的浓彩蓝钻——“库里南之梦”（Cullinan Dream）。通过测试天然蓝钻内部包裹体的组成，探究其地质起源。结果发现，蓝钻可能来源于下地幔层，产生所在位置要比其他各型钻石要深得多；而且，蓝钻中所含的硼原子可能起源于远古海洋岩石圈。此外，研究还揭示了下地幔的环境、壳幔物质对流和轻元素循环等重要的地质信息。该文发表在Nature 上，并被选为当期封面。

当期封面。图片来源：Nature

研究者挑选的46颗蓝钻。图片来源：Nature

地球可大体上分三个层次——地壳、地幔、地核。地壳是地球表面的一层薄壳，在大陆部分平均厚度37千米，而海洋部分平均厚度约7千米。高原部分地壳最厚，如我国青藏高原地壳最厚可达70千米。地幔在地壳和地核之间，平均厚度为2800多千米。天然钻石的形成条件压力至少为4.5-6.0 GPa，相当于150-200千米的深度，属于地幔层。

橄榄岩和玄武岩等矿物深度分布。图片来源：Nature

在利用拉曼光谱技术对这些钻石内的矿物包裹体进行分析之后，研究者发现，蓝钻内包裹体的主要矿物组成与深部地幔高压条件下形成的玄武岩、橄榄岩矿物组合极为接近，而与常见钻石中的包裹体具有明显的区别。因此，作者推断蓝钻的形成深度至少410-660千米，这属于上下地幔之间的过渡带，有些蓝钻的形成深度甚至超过了660千米，这意味着它们起源于地球的下地幔部分。这要比普通宝石级天然钻石的形成深度要深的多了。

含硼钻石中包裹体的拉曼光谱。图片来源：Nature

为了进一步确认，Evan Smith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钻石形成时捕获条件下的压力，其结果也确认了这些钻石的超深来源。

不过还有一个问题。蓝钻所含的微量元素——硼，是典型的轻元素，主要存在于地壳层，在地幔中的含量极低。如果蓝钻形成于地球深处，那么其中的硼元素又来自哪里呢？

研究者提出了一种解释：海水中的硼元素会沉积在大洋岩石圈中，形成含硼矿物，例如蛇纹岩。合适条件下这类含硼的水合矿物俯冲至下地幔，在这个深度，极高的温度和压力会破坏水合矿物，然后释放出富含硼的液体，从而促进蓝钻生长。研究者随后在实验中发现蓝钻包裹体中存在氢和甲烷，为他们的理论找到了实际证据，同时也揭示了水循环进入地球深层的潜在通道。