碳同位素研究揭示钻石的生长历程


Placeholder Alt Text
这颗美丽的 56.2 克拉八面体钻石晶体产自俄罗斯的 Mir 矿管道。 钻石同位素组成研究有望揭示地球碳循环中与钻石位置相关的信息。 摄影:Robert Weldon/GIA;Bill Larson、Palagems.com 友情提供
Jianhua Wang(王建华)博士喜欢探究非常基本的问题。 包括:钻石中碳的成因;地球上的海洋面积扩大还是缩小;月球上存在的水量。 他是华盛顿Carnegie (卡内基)研究所地磁学部门 (DTM) 的高级研究科学家。 在那里,他和同事 Steven Shirey 博士、Eric Hauri 博士以及他们挑选的一些客座研究员合作开展钻石相关项目。

今天,我们在 DTM 的离子显微探针实验室。 Wang(王)博士向我们介绍了他身后嗡嗡作响的复杂机器。 这台机器叫作次级离子质谱仪 (SIMS),在我们所站立的大房间内占据了大部分区域。


Jianhua Wang(王建华)博士
Jianhua Wang(王建华)博士解释了地磁学部门的精密离子显微探针的运作及其与天然钻石研究的相关性。 他手里拿着一个样本架,准备将其放入仪器的真空室中。 摄影:Duncan Pay/GIA,华盛顿卡内基研究所友情提供。

离子探针解释

Wang( 王)博士概述了这种离子探针的“作用端”:复杂气缸和管道中的质量紧凑,类似于一个部分拆卸的喷气涡轮机。 这个区域包含轰击样本的离子枪和承载样本的真空室。 除此之外,还有一条长“飞行管”,缠绕于墙壁之上,穿过一块巨大的磁铁,相当于一个标准冰箱的大小,到达末端的一系列探测器。 这是一台令人印象深刻的仪器。

离子微探针
我们跟随Jianhua Wang(王建华)博士的脚步,听他介绍地磁学部门的离子显微探针。

离子探针解释

Wang(王)博士给我们简单快速地介绍了离子显微探针。 他告诉我们,这台仪器带有一个初级离子“枪”,能够产生离子束。 离子是一种带正或负电荷的原子。 在这种情况下,它是稀有金属铯 (133Cs) 的正离子。

主要离子束穿过一组电磁透镜,他解释说。 它们将其聚集至直径为 15 微米(0.0015 厘米),并朝位于仪器高频真空室中的样本加速。 铯离子束的撞击可令样本发射其自身的离子流作为响应。

另一组电磁透镜将样本发射的离子聚拢为次级离子束。 正是这种特性,构成了 SIMS 仪器名称的第一部分。
一旦离子束被定向,就会被送入质谱仪中,以识别由样本产生的离子。 质谱仪按它们的电荷和质量将次级离子分离为不同的同位素。 对于钻石,Wang(王)博士通常会测量钻石中的主要微量元素碳或氮。

质谱仪的工作原理:在相同电磁场的作用下,两种质量和电荷相同的离子在真空中会按同一路径运动。 拥有不同质荷比的离子出现一定程度的偏转。 质谱仪将离子分离成不同的质量,并在一系列探测器中对它们计数。 电脑屏幕上显示结果。

Wang(王)博士解释说,使用这台机器时,必须改变磁场来检测不同质量的同位素:“如果你想用这台机器来测量碳同位素和氮同位素,你必须分两个环节进行操作,因为氮在钻石中是一种微量元素,而碳则是一种主要元素。”

“因此,你会获得大量碳信号,”他说。 “如果你在一个环节中处理碳同位素,就得在另一个环节中测量氮同位素和氮浓度。”

碳同位素研究点亮钻石的地质史

在Wang(王)博士的所有研究中,我们最感兴趣的主题是钻石在地球碳循环中的位置,以及构成钻石晶体的碳来源。

Wang(王)博士的工作与 Shirey(史雷) 博士的工作相辅相成。 Shirey(史雷) 博士专注于微小硫化内含物的年代测定,而Wang(王)博士则负责在 Shirey(史雷)博士通过裂解钻石找到内含物之前对已磨光的钻石板中的碳和氮同位素展开研究。

在过去十年中,Wang (王)博士等科学家在了解钻石中碳的来源方面已经取得了重大进展。 碳有两种稳定同位素,分别是12C 和 13C。(一种化学元素的同位素是拥有与该元素相同原子数、但质量略微不同的原子,从而导致原子核中的中子数量发生变化。)在地球表面,12C 的数量几乎是13C的一百倍(98.9% 比 1.1%)。

天然钻石中的碳确实只有两种来源。 可能是来自从未离开过地幔中科学家称之为“原生”的碳,或是从地幔释放出来并被有机物,如细菌或藻类,吸纳的“回收”碳,或随后形成含碳矿物质(如石墨)或富含碳的岩石状石灰石或大理石。 这些材料随后被俯冲作用带回到地幔中,释放出形成钻石的碳。

从广义上讲,科学家根据天然钻石的地质起源将它们划分为两大类。 橄榄岩中的碳来源于地幔(P 型),而榴辉岩中包含俯冲循环碳(E 型)。

已被地球表面回收的碳趋向于拥有非常高的 12C 与 13C 比。这是因为普遍青睐于较轻碳同位素的燃料生命系统的生化反应所造成的。 钻石来自地幔碳还是回收碳这一比率可能差异甚大,能够反映其地质史。 Wang(王)博士的离子探针可以统计钻石中不同碳同位素的数目,从而确定 13C 与 12C 的比例。

碳同位素组成
碳同位素的成分能够让我们了解钻石的大量地质史。 此图显示了一些主要钻石类型之间的差异。 δ13C 是根据参考标准测量的 13C/12C 比值,与该标准存在 0.1% 的偏差。 请注意负比例以及榴辉岩钻石的 δ13C 值何以比橄榄岩钻石低得多;N = 分析次数。 来源于地幔碳的钻石(P 型,顶图)的数值范围相对有限。 虽然二者有所重叠,来源于俯冲回收碳的钻石(E 型,顶部起第二个图表)往往范围更为广泛。 改编自 Cartigny(2005 年);参阅《宝石与宝石学》(2013 年冬季刊),图 21,第 206 页
橄榄岩钻石显示出较窄的碳同位素成分范围(如以 δ 符号表示,则为 δ13C。其中,13C/12C 的比值将会参照标准并以百分比形式表示),为 –10 到 –2 δ13C,而 95% 以上均在 –8 至 –2 主要地幔范围。

尽管主要地幔范围也有不少重叠,榴辉岩钻石的 δ13C 范围更宽(从 -42 至 +3)。

钻石中的碳
在这段视频中,Wang(王)博士解释了碳同位素工作的意义以及研究结果对于我们认识天然钻石的起源有何帮助。
那么,研究钻石中的碳同位素能够了解哪些信息?Wang(王)博士回答说:“地球俯冲结构最深层的信息”。

他向我们展示了一张打印的钻石晶体切割片阴极发光 (CL) 图像。该晶体具有复杂的成长史。 这张打印图片包含一个仅几毫米大小的钻石板放大图像。

他告诉我们,不同的颜色代表钻石板中不同的氮浓度,若非在阴极发光 (CL) 的环境下这些颜色通常是不可见的。 “你可以看到钻石的多生长模式(含氮量发生变化)。我们可以使用离子探针来测量不同区域的碳同位素。”

离子探针取样的每个微小圆点的大小均为 15 微米(0.0015 厘米)。 每个点旁边的附图均指明了同位素的浓度。 Wang(王)博士指出了取样点的踪迹,并说:“从这些信息中,我们看到了碳同位素的变化。

“如果变化较大,则可以推断出有不同的碳来源。” 在这种情况下,所有的碳均来自于地幔,这非常接近地幔碳同位素的原生成分。”

另一方面,Wang(王)博士告诉我们,“如果你看到碳同位素成分的负数比较大(比如说,-24 δ13​​C),在大多数情况下,这是有机成因的碳,因此,它们可能来自于地球表面。 这可能表明洋壳从表面俯冲深入地幔。”

“这种技术可以得知钻石中碳的来源,”他继续说。 “无论其来源于顶部(地球表面)还是深深的地幔。”

卡内基研究所的离子微探针
这一系列图片向你介绍了Carnegie (卡内基)研究所地磁学部门用来进行钻石相关研究的其中一台关键分析仪器。

产自巴西地下的超深层钻石

王博士提到了他最新的研究论文(2012 年),他和同事分析了一些产自巴西的不同寻常的钻石。 “我们发现一些钻石有很明显的迹象表明其有机来源,当中的一些内含物是在非常深的地幔中形成的,约 800 千米深。

“通过这些内含物,我们可以推断,碳来源于地球表面,但钻石却是在深层地幔中形成的。 因此,我们从中得知,俯冲一路直达深层地幔。

“钻石告诉我们来自表面的碳的发展史,如何深入地幔、形成钻石并被金伯利岩带入到表面,以及我们如何获得钻石并在实验室中进行测量。”

诸如此类的研究,多数是与同事们一起完成的,尤其是与 Shirey(史雷) 博士 和 Hauri 博士一起进行的这个项目:“Steve 负责测量钻石中的硫化内含物,找出钻石内含物形成的时间,而 Erik 则是测量含水量,以了解深层地幔中有多少水分。”他说。 “与其他人合作才能完成这项研究。”

Carnegie(卡内基)研究所的离子显微探针的功能

Wang(王)博士解释说,这种仪器主要用于半导体工业,测量硅晶圆中植入的不同微量元素。

独特的仪器
Wang(王)博士简要介绍了地磁学部门的离子显微探针的部分功能,并解释了更换费用非常高昂的原因。
他告诉我们:“在地质和天体科学中,我们正在使用这台仪器对矿物和岩石进行微量元素分析,包括测量火星陨石以及月球岩石中的水分。”DTM 天体化学家还利用这台机器观察彗尾形成的微粒、从外太空如雨点般不断降落到地球的星际尘埃、含有耐火材料(形成于我们太阳系以外的遥远星球)的陨石残留物以及来自火星的陨石中的有机成分。

为了使一个复杂的多功能仪器在最先进的精密运行需要大量的机构资源和一个好的团队。 除了王博士和他的同事 Alexander 博士、 Hauri 博士、Nittler 以及 Shirey 博士外,还有众多来自世界各地的博士后研究专家以及访问学者会定期来查看离子探针设备。 这是一个令人兴奋的地方,确实如此。

我们忍不住询问了这种独特仪器的价格:“当时,这台仪器的购买价约为 150 万元,” Wang(王)博士一边指着带离子枪和样本室的法国制造核心,一边说道。

他挥动手臂整理离子探头的剩余部分,包括长长的飞行管和巨大的磁铁。 “这是内部开发出来的,我们大概花了几十万美元,但是,若要购买一台同等大小的商业仪器,需要 400-450 万美元左右!”

新一代显微探针

在隔壁房间,Wang(王)博士让我们欣赏了新一代显微探针 — 纳米 SIMS。 它的优点是:光束尺寸更小、磁铁更大。 磁铁允许它配备一组(七个)探测器,因此,可以同时测量七种不同的质量(同位素)。 较大的 SIMS 机器仅带一个探测器,因此,如果你想测量不同的同位素,必须切换磁铁以适应各同位素的质量,从而在单独环节中执行测量。

Jianhua Wang(王建华)博士
Wang(王)博士介绍了实验室新一代离子探针(纳米 SIMS)的操作。该探针能够分析更小的样本,包括陨石中的微小内含物以及钻石中的细微内含物。 摄影:Duncan Pay/GIA,华盛顿卡内基研究所友情提供。
全新仪器的真空室也非常优越,这对于测定轻量元素(如氢)十分重要。 这是一个两级式样本室,可让研究人员获得更高的真空度并排除几乎所有污染物。 小尺寸光束允许分析最微小的陨石晶粒,以便研究人员对这些在前太阳系阶段的天体中捕获的超新星残骸取样。

除了介绍钻石同位素研究之外,王博士还围绕月球上的水讲述了其它尚待解决的问题。 对月球岩石和月球岩石中火山玻璃的分析显示含水量高于预期。 目前的理论认为,月球是由一个火星大小的星体与古老地球相撞而形成的,这也就解释了月球的岩石和矿物中为何能够锁住水分。

再次提醒我们,对大自然中的最小特征物(钻石中的微小内含物、早期太阳系的尘埃痕迹)进行分析可在地球发展史层面上带来惊人的发现,甚或更广泛的发现。 我们的目标是密切关注Wang(王)博士的研究,并在不久的将来为你呈上更新信息。

作者简介:《宝石与宝石学》主编Duncan Pay(邓肯·派)(dpay@gia.edu);加利福尼亚州卡尔斯巴德 GIA 内容开发部视频编辑Pedro Padua(佩德罗·帕多瓦)。 Jim Shigley(吉姆·史格雷) 博士是美国宝石研究院 (GIA) Carlsbad 鉴定所一位杰出的研究员。

作者衷心感谢华盛顿特区卡内基研究所地磁学部门高级科学家Jianhua Wang(王建华)博士及其同事们在参观期间为我们提供的倾力帮助以及热情款待。