特征

钻石研究为大陆的形成提供线索


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这种 Ib 型钻石原石来自西非塞拉利昂和利比里亚边界附近的 Zimmi(兹密),它含有的硫化物内含物的化学成分能为西非大陆的形成提供线索。摄影:Karen Smit(卡伦·斯密特)/GIA。

本文是 Sulfur Isotopes in Diamonds Reveal Differences in Continent Construction(《钻石中的硫同位素揭示大陆构造差异》)一文的摘要,这篇文章由 Karen V. Smit(卡伦·V.斯密特)、Steven B. Shirey(史蒂芬·B.希尔瑞)、Erik H. Hauri(埃里克·H.豪瑞)以及 Richard A. Stern(理查德·A.斯特恩)共同撰写,于 2019 年 4 月 26 日发表在《科学》(Science) 杂志上。

钻石是最珍贵的宝石之一,对地学科学家来说也非常有价值。钻石中的矿物内含物是我们从无法到达的地球深处得到的最直接的样本。钻石中的内含物为地学科学家提供了有关地球内部的水、地球深处的矿物学和地球深处的金属相的信息。此外,由于没有直接的方法根据钻石本身来确定钻石的年龄,钻石内的矿物内含物是确定钻石年龄的唯一方法。因此,尽管钻石中的内含物在宝石贸易中往往被认为是不受欢迎的,但它们是极其宝贵的科学样本。

在我们的研究中,我们测量了产自塞拉利昂 Zimmi(兹密)地区的钻石中硫化物内含物中的硫和铼锇同位素。硫化物是一种微小的矿物,直径通常在 100 至 300 微米之间,在钻石生长过程中被包裹在钻石中。

我们发现,硫化物记录了西非大陆的两次隐没事件。隐没作用是指海洋地壳在与另一个构造板块碰撞时被推入地球深处的过程。Zimmi(兹密)硫化物记录的第一次隐没事件发生在大约 30 亿年前,第二次大约在 6.5 亿年前。
 

钻石中的银灰色硫化物内含物。
硫化物内含物仍包裹在 Zimmi(兹密)钻石中。硫化物呈银灰色,周围有发黑的断裂系统。在金伯利岩上升过程中,由于硫化物的膨胀程度超过了钻石,从而形成了这些裂缝。摄影:Karen Smit(卡伦·斯密特)/GIA

30 亿年前的隐没事件

硫化物的同位素组成表明,在 25 亿至 23 亿年前氧气出现之前,硫就已经在古代大气中循环(Farquhar(法夸尔)等人,2001 年)。非质量相关分馏 (MIF) 硫同位素证明了这一点。任何现代硫(或没有在古代大气中循环的硫)都不会含有这些 MIF 同位素1。这些硫化物内含物中存在 MIF 硫表明,它们来自地球表面的古代大气中。这些硫化物很可能是在大约 30 亿年前进入地球深处的——即发生隐没事件,海洋地壳物质融入地幔的时间2,3

6.5 亿年前的隐没事件

我们还测量了这些硫化物内含物中的铼锇同位素。铼锇同位素法是确定钻石形成时间所用到的最广泛的技术4。研究发现,Zimmi(兹密)钻石有 6.5 亿年的历史5,这个时间刚好与该地区发生隐没事件和碰撞造山运动的时间(7 亿到 5.5 亿年前之间)重叠。海洋地壳的隐没和随后海洋地壳的脱水会将含碳液体带入地球深处,形成钻石6

为什么我们觉得这很有趣?

地球上最古老的大陆(称为克拉通)是由岩石圈地幔龙骨稳定的。面对破坏性的构造活动,地球大陆的稳定性是我们星球上出现生命的重要地质条件。由于地球是我们所知的唯一一颗构造活跃的岩石行星,了解大陆形成的地质条件,对于确定地球为何适宜居住至关重要。

克拉通的稳定性取决于约 150-200 公里厚的地幔龙骨。这些地幔龙骨的形成过程仍然存在争议,关于它们的起源有几种不同的理论。克拉通形成的一些模型涉及隐没式板块构造,即板块俯冲到地球深处,稳定克拉通龙骨。其他模型不涉及隐没作用,而是需要更深层次的地幔过程,比如在地幔柱中融化或在海洋高原融化。

幸运的是,这些地幔龙骨具有理想的钻石形成条件。大多数天然钻石都是在这些克拉通地幔龙骨中形成的。钻石成为了重要的样品,可以用来研究最古老大陆下面的稳定龙骨是如何形成的。

钻石中的硫同位素,再加上古老的铼锇同位素,可以用来追踪克拉通生长过程中发生的多次隐没事件,甚至是那些相隔数十亿年的隐没事件。隐没过程对西非克拉通在 20 亿年间的生长和改造至关重要。

我们将研究结果与来自非洲南部和加拿大北部的钻石进行了比较。我们发现,这种同位素组合方法也揭示了全球克拉通构造的差异。与 Zimmi(兹密)钻石类似,来自非洲南部 Jwaneng 和 Orapa 矿的钻石中确实含有 MIF 硫1,7。这表明,隐没作用也是非洲南部克拉通地幔构造的一个重要过程。

但是在加拿大北部开采的钻石没有显示出相同的硫化学性质。Ekati 矿的钻石含有 35 亿年前的铼锇同位素,不含 MIF 硫8,9。这意味着,该地区的地幔龙骨形成时没有融入地表物质。加拿大钻石中的硫并没有告诉我们地幔龙骨是如何形成的,只是告诉我们它不是如何形成的。

我们的工作表明,钻石中的硫化物内含物是研究克拉通构造过程的强大工具。

电子显微镜下的硫化物内含物视图。
从钻石中分离并在扫描电子显微镜下成像的硫化物内含物。这种硫化物表面具有立方八面体形态和三角形。这两种特征都是由钻石施加在硫化物上的。摄影:Karen Smit(卡伦·斯密特)/GIA


我们是怎么做的?

为了描述钻石特征并对内含物进行成像,我们首先利用激光切割并打磨了双面钻石片。

铼锇同位素

我们用小锤子和钢制破碎器砸碎钻石片,分离出硫化物内含物。内含物很小,重量在 3 至 162 微克之间。从钻石中分离出每一个内含物之后,我们用扫描电子显微镜对其成像并分析其主要元素组成。

在干净的实验室中,我们将硫化物与一定量的示踪溶液(称为同位素稀释剂)一起溶解在酸中。将铼和锇分离到不同酸性溶液中的化学程序就完成了。将含有铼和锇的溶液分别在加热板上烘干。

将锇的干盐置于金属丝上,然后将金属丝置于热电离质谱仪 (TIMS) 中。金属丝加热后产生离子,然后通过仪器对这些离子加速,并利用非常灵敏的检测器检测不同的锇同位素。

将铼的干盐溶解在稀酸溶液中。然后将溶液置入多接收器电感耦合质谱仪 (MC-ICP-MS) 中。溶液在等离子体中发生电离,然后通过仪器对这些离子加速,并利用非常灵敏的检测器同时检测两种不同的铼同位素。

我们在硫化物中测得的铼和锇含量在飞克到皮克的范围内,其中 1 飞克为 10-15 克或 1 千兆分之一 (ppq) 克,1 皮克为 10-12 克或 1 万亿分之一 (ppt) 克。由于我们测得的量非常之小,极少量的污染物也会破坏样品。因此,我们必须在干净的实验室里进行这项工作,且实验室必须配备开展钻石内含物工作的专用设备。

我们利用卡内基科学研究所地磁学部门的化学实验室和 Thermo-Fisher Triton 仪器对铼和锇进行了分析。

硫同位素

测量硫同位素时,我们没有将硫化物内含物从钻石中分离,而是用钻石磨光盘进一步打磨钻石片,以露出硫化物内含物。打磨出每个内含物需要数小时到一天时间。

将露出硫化物内含物的钻石片置于次级离子质谱仪 (SIMS) 中。在铯离子束的轰击下,硫化物中会形成很多小坑。然后,从硫化物中分离出的物质会在仪器中加速,并利用非常灵敏的检测器同时检测四种不同的硫同位素。

我们使用了阿尔伯塔大学的 Cameca IMS 1280 仪器测量硫同位素。初步测量是使用卡内基科学研究所地磁学部门的 Cameca NanoSIMS 进行的。

关于钻石本身

用于这项研究的钻石来自塞拉利昂的 Zimmi(兹密)冲积矿床。Zimmi(兹密)矿区位于 Zimmi(兹密)镇以南,靠近利比里亚和塞拉利昂的边界。Zimmi(兹密)地区以生产含有丰富硫化物内含物的黄色钻石而闻名。

Zimmi(兹密)钻石具有罕见的隔离形式的氮杂质,被归类为 Ib 型钻石。Ib 型钻石在天然钻石中极为罕见,在全球天然钻石中所占比例不到 0.1%。

作者简介

Karen V. Smit(卡伦·V.斯密特),自 2014 年起一直担任美国宝石研究院 (GIA) 的研究科学家。她对利用钻石及其地幔母岩来了解钻石在地球深处的形成过程非常感兴趣。她的研究重点是地球大陆的起源、板块构造过程如何影响钻石的稳定性,以及最近的使用天然钻石的光谱特征来区分天然钻石与实验室制造钻石和经过处理的钻石。

Steven B. Shirey(史蒂芬·B.希尔瑞)在卡内基科学研究所地磁学部门工作了 34 年。他的研究重点是地球大陆的演化,尤其是随地幔演化的变化情况。他在 20 多年前开始对钻石感兴趣,希望通过来自地幔最深处的钻石来了解大陆的形成和板块构造。

Erik H. Hauri(埃里克·H.豪瑞)(已故)在卡内基科学研究所地磁学部门工作了 24 年,于 2018 年去世。Hauri(豪瑞)对地球和月球上挥发物的地球化学循环及其与行星动力学的关系很感兴趣。他拥有丰富的二次离子质谱法专业知识,在了解月球含水量以及分析钻石中稳定同位素及其矿物内含物方面取得了重大突破。

Richard A. Stern(理查德·A.斯特恩)是阿尔伯塔大学的研究科学家和离子探测设备管理人员。在过去的 25 年中,他的研究重点是二次离子质谱技术在地球化学和地球年代学等广泛领域的发展和应用,最近主要研究光稳定同位素。

 

参考文献

1. Farquhar(法夸尔)等人,2002 年
https://science.sciencemag.org/content/298/5602/2369

2. Barth(巴斯)等人,2002 年
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301926802001110

3. Aulbach(奥尔巴赫)等人,2019 年
https://academic.oup.com/petrology/advance-article-abstract/doi/10.1093/petrology/egz011/5364029

4. Pearson(皮尔森)等人,1998 年
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X98000922

5. Smit(斯密特)等人,2016 年
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301926816300882

6. Smit(斯密特)等人,2019 年
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0009254119301895

7. Thomassot(托马索特)等人,2009 年
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X09001447?via%3Dihub

8. Westerlund(韦斯特隆德)等人,2006 年
https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00410-006-0101-8

9. Cartigny(卡蒂格尼)等人,2009 年
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0024493709002497?via%3Dihub

Karen V. Smit(卡伦·V.斯密特)是 GIA 的研究科学家。