从地球中心喷发的钻石喷泉揭示了超大陆消失的历史

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当超级大陆分裂时，钻石会在地球表面爆发。研究这些闪闪发光的宝石可以揭示我们星球深层历史的秘密。（图片来源:罗里·麦克尼科尔《生活科学》）

（）据生活科学（斯蒂芬妮·帕帕斯）：在8600万年前的白垩纪末期，位于现在南非的一个火山裂缝轰隆隆地苏醒了。在地表之下，数百英里之下的岩浆向上喷射的速度就像高速公路上的汽车一样快——如果那辆汽车正在穿过坚硬的岩石的话——咀嚼岩石和矿物质并以反向雪崩的方式将其带向地表。

这在表面上看起来像什么已经被历史遗忘了，但它可能和维苏威火山的爆发一样引人注目。它留下的是一系列胡萝卜形状的火成岩填充的管道，位于风化的白色低矮山丘下。

1869年，一个牧羊人在附近的河堤上发现了一块巨大的闪闪发光的岩石，这一不起眼的景观因此声名狼藉。这块石头是一颗巨大的钻石，最终被称为“非洲之星”，白色的山丘隐藏着后来成为金伯利矿的地方，金伯利矿是南非钻石热潮的中心，很可能是地球上有史以来最大的人工挖孔。

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。这些地层分布在全球各地，从乌克兰到西伯利亚到西澳大利亚，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深处。关于它到底有多深仍有疑问，但已知它们来自于热对流地幔边界的大陆底部。有些可能起源于更深的地方，在上地幔和下地幔之间的过渡区。



1869年，南非的一个牧羊人在山里发现了一颗巨大的钻石，金伯利矿由此诞生。矿井已经关闭，这个“大洞”，可能是有史以来最大的人工挖掘的洞，充满了水。（图片来源:Hans ZúIgA Rojas via Getty Images）

因此，这些岩浆进入非常深、非常古老的岩石，它们与其他只发生在地球深层的过程相互作用——即钻石的形成。要将普通的碳结晶成坚硬闪亮的钻石需要巨大的压力，因此这些宝石至少在岩石圈最深处93英里（150公里）处形成，岩石圈是地壳和相对坚硬的上地幔的科学术语。一些被称为岩石圈下钻石的钻石形成得更深，深达约435英里（700公里）。金伯利岩在它们喷发到地表的过程中，捕获钻石并将其拖入上地壳，使其相对完好无损，有时甚至含有来自地幔本身的流体。

研究人员很早就知道，随着构造板块相互挤压，它们将碳从地表拖到深处，在那里碳可以结晶成钻石。现在，他们开始看到下沉的东西一定会（有时）浮上来，碳的这种再现——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，钻石似乎会爆发。

“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

没有人亲眼见过金伯利岩喷发。在过去的5000万年里，火山很少爆发。最近一次可能的火山爆发发生在1万年前的坦桑尼亚伊格维西山。澳大利亚科廷大学的研究员雨果·奥利耶鲁克说，不仅如此，金伯利岩中的主要物质橄榄石在地表很快就会风化。

这使得研究金伯利岩具有挑战性。例如，科学家们对地幔中熔融岩石的原始来源的化学性质感到困惑，也对金伯利岩如何设法穿透地球科学家所谓的“克拉通”的稳定内核感到困惑。克拉通是大陆内部通常抵抗分裂的厚厚部分。

最近的一些研究为这种现象的发生勾画出了一个新的解释。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·拉塞尔说，人们早就注意到金伯利岩活动的脉冲似乎与超级大陆分裂的大致时间一致。挪威北极大学（Arctic University of Norway）的地球科学家塞巴斯蒂安·塔普（Sebastian Tappe）在2018年领导的一项研究对这一时间巧合进行了全球观察，发现这一巧合是正确的:大约12亿年前至10亿年前，超大陆努纳大陆分裂前后出现了金伯利岩喷发高峰。

根据2018年的研究，另一个脉冲发生在6亿至5亿年前，恰逢超级大陆罗迪尼亚的分裂，随后是4亿至3.5亿年前的一个较小脉冲。但最丰富的时期发生在2.5亿至5000万年前，占所有已知金伯利岩的62.5%。这个范围恰好与超大陆泛古陆的分裂相吻合。对一些研究人员来说，这表明超大陆循环对金伯利岩喷发至关重要。

“这些大陆的分裂是将这些钻石从这些深处取出的基础，”奥利耶鲁克告诉《现场科学》。

奥利耶鲁克和他的团队最近分析了西澳大利亚一个地层中不寻常的粉色钻石的年龄，发现它们可能在大约13亿年前出现在地表，在努纳分裂的窗口内。奥利耶鲁克说，这项新发现将钻石与大陆地壳的拉伸联系起来。

他说:“正是这些扩张力使那些深层岩浆的小囊袋上升到顶部。”

金伯利岩的进军



金伯利岩形成于大陆底部，当它们快速上升时，它们捕获了更深层次的钻石，并通过金伯利岩管道将其拖到地表。（图片来源:罗里·麦克尼科尔《生活科学》）

然而，棘手的问题是这是如何发生的。要获得金伯利岩，有两个关键因素:富含流体的深层熔融岩石，以及可能将熔融物带到地表的大陆破裂。没有人知道金伯利岩熔体的形成原因，但金伯利岩的化学成分与从中熔化的地幔岩非常不同。金伯利岩还富含水和二氧化碳等挥发物，这是它们浮力大、速度快的原因。它们穿过地壳，就像香槟冲过开瓶器一样，以高达83英里/小时（134公里/小时）的速度上升。相比之下，夏威夷等地火山喷出的岩浆最高时速约为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是如何穿透大陆厚厚的心脏的。研究人员发现大陆地壳撕裂的裂谷过程是关键。拉伸在大陆的表面和底部都产生了高峰和低谷。在底部，这些锯齿状的边缘使温暖的地幔物质上升，然后冷却和下降，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、漂浮的金伯利岩，然后这些金伯利岩会冲向表面，携带着它们可能在上升过程中碰巧遇到的任何钻石。

这一过程始于大陆分裂的地方，但模拟显示，这些漩涡形成的锯齿状区域破坏了克拉通上邻近区域的稳定，在越来越靠近大陆内部的地方产生了同样的动力。结果是金伯利岩喷发的模式开始于裂谷带附近，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·格农说，这一缓慢的过程解释了为什么金伯利岩脉直到大断裂开始后一段时间才会达到峰值。

“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。“但这不仅仅是一锤子买卖；这可能会在超大陆分裂后持续相当长的时间。”



不稳定性形成于大陆边缘，但在数百万年后向“克拉通”中心迁移。（图片来源:Rory McNicol for Live Science，改编自Gernon等人，2023年出版。)

塔佩说，金伯利岩在大陆底部可能很常见。他2018年关于金伯利岩和超大陆断裂的研究得出了与格农类似的结论。塔佩和他的团队发现，这些熔体可能在泛古陆解体期间尤为突出，因为自地球凝固以来一直在缓慢冷却的地幔在大约2.5亿年前达到了恰到好处的温度，以使金伯利岩型熔体占主导地位。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融物和挥发性物质的组合。这可能是大多数金伯利岩钻石矿可以追溯到泛古陆分裂时期的原因之一。

菱形中的信息

正如曾经覆盖着金伯利矿的暗淡的白色山丘所证明的那样，金伯利岩本身对其起源的地幔知之甚少。它们会在几年内风化，在化学层面上失去大部分使它们变得有趣的东西。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不一致。但它们在地表下数百英里处的偶然相遇意味着，原本看不到阳光的地幔碎片可以到达人类手中。

这些碎片是钻石形成时的微小流体袋。许多这些“内含物”可以追溯到几亿年前，而少数标本的年龄以十亿计。此外，其中一些钻石形成于地幔深处，因此某些石头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2000公里（1200英里）的样本，”不列颠哥伦比亚大学钻石勘探教授玛雅·科皮洛娃说。“地球上没有其他岩浆能做到这一点。”



库里南原钻是已知最大的宝石级原钻，于1905年从金伯利矿开采出来。像这样的钻石可能来自地球深处，揭示了地球数十亿年的历史。（图片来源:公共领域）

虽然钻石的爆发可以追溯超大陆分裂的故事，但它们的形成也可能为大陆如何聚集提供线索。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。通过对钻石中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，当时超大陆冈瓦纳大陆正在形成。蒂默曼告诉《生活科学》杂志，这些钻石可能附着在大陆底部，并在那里停留了数千年，直到白垩纪冈瓦纳大陆分裂，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是如何生长的。当海洋地壳挤压大陆地壳时，超级大陆就形成了。这个过程被称为俯冲，将大洋两侧的两块大陆拉得更近。同样的俯冲将碳带到深处，在那里碳可以被压缩成钻石。

蒂默曼解释说，在地幔深处，这些俯冲板块的碎片会漂浮起来，并带着超深钻石重新上升。这种物质可能会附着在大陆的底部数千年，帮助它们从下面生长。这也可以解释超深层钻石如何落在金伯利岩可以捕捉到它们的地方。

蒂默曼说:“深钻石可以让我们更多地了解俯冲过程、地幔对流、液体-岩石相互作用和超大陆周期中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基础，以及这是否会影响超级大陆在分裂前持续的时间。另一个悬而未决的问题是这种回收的地壳物质是否影响金伯利岩岩浆形成的时间和地点。

古老的钻石也可能告诉我们地球混乱历史中的其他里程碑。

奥利洛克说，一些钻石是由地球形成时融入其中的碳锻造而成的，而另一些则是由远古生命中的碳随着俯冲地壳板块一起形成的。通过分析钻石内含物中碳的分子结构，可以判断钻石的形成过程。因此，这些包裹体可以掌握地球历史上模糊数字的秘密，例如大规模俯冲开始的时间或海洋生命盛行的时间。

但是为了得到这些答案，研究人员需要更好地计算钻石的年龄。他们需要更多古老的、来自最深处的钻石。

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