故事背后的故事

卡内基研究:
每颗钻石讲述一个故事


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卡内基研究所科学家的工作,Steven Shirey 博士及其同事已经将一些钻石的年龄追溯到 35 亿年前。 Duncan Pay(邓肯·派)© GIA,华盛顿卡内基研究所
对于 Steven Shirey(史蒂芬·谢瑞)博士(华盛顿卡内基研究所的资深科学家)而言,每颗钻石都讲述了一个引人入胜的故事。

作为一个研究科学家,Shirey(谢瑞)的其中一个目标是探究钻石的本质及其在地球表层深处的迷人起源。 对于 Shirey(谢瑞)及其同事而言,钻石是保留地球深处矿物质的唯一容器。 这些在几乎无法想象的压力和温度下铸就的微小样本能够让科学家们探究深达数百公里的地幔中的情形。

在 GIA,我们还想讲述钻石的地质学故事,因为它强调了宝石作为一种“特殊石头”的独特价值。Shirey(谢瑞)的目标令我们称颂不已:他深谙自己的钻石年龄研究及其所诠释的地球历史,旨在为精明的珠宝销售人员提供强大的工具,从而激发客户对宝石的兴趣。

目标

我们真切地想要在 GIA 与卡内基研究所之间建立持续的关系,因此,这个引人入胜的话题会在我们的课程和网站中不断更新,为学生和公众提供帮助。 对 Shirey(谢瑞)及其在卡内基研究所的同事们有利的是,我们可以向更关注宝石的不同受众展示他们的工作。

我们近距离接触 Shirey(谢瑞),根据所掌握的钻石成因知识,为《宝石与宝石学》(Gems & Gemology) 撰写了一篇文章,并发表在 2013 年冬季刊上。 作为这项倡议的一部分,GIA 的一个团队在 2013 年中前往 Shirey(谢瑞)所在的研究机构——地磁学部门。

我们还想记录他在钻石内含物年代测定方面所做的研究工作(该研究推测出产自加拿大的一些钻石的年龄可追溯到 35 亿年前)。 通过运用在钻石晶体中捕获微小内含物的理念,得出了一个令人难以置信的惊人发现结果:钻石的年龄是地球年龄的四分之三。

言下之意是,这些矿物质(钻石结构中的闲杂之物)已经静静地存在了长达 35 亿年,可能会揭示地球环境的变迁(地球当时的地质作用与现在千差万别)。

这些微小钻石晶体包含硫化矿物内含物,而 Shirey(谢瑞)及其同事可利用它们来测定年龄。 Pedro Padua(佩德罗·帕多瓦)© GIA,华盛顿卡内基研究所
“我想研究地球的历史,了解钻石的生长模式以及钻石的发展史所告知我们的地球演变相关信息,”Shirey(谢瑞)说道。

他的研究涉及从生产矿山中选择夹杂内含物的合适钻石,将它们切割成片,以研究其成长历程,最后,将内含物从钻石中分离出来,对它们进行年龄测定。

“如果宝石界人士听闻我们选取一颗精美的钻石原石并在中心切片取出内含物,定会认为此乃疯狂之举,”Shirey(谢瑞)轻笑着说道。

卡内基研究所从事的其他钻石相关研究

我们也想提供卡内基的其他钻石相关的研究的快照。 卡内基研究所共有 6 个研究部门,其中有两个部门都设在华盛顿的同一个校区,分别是:地磁学部门 (DTM) 和地球物理实验室。

地磁学部门成立于 1904 年,以地球的地磁场作为研究中心,着重了解地球以及地球在宇宙中的位置。 如今,这里已经拥有一支由行星科学家组成的跨学科团队:天文学家、天体物理学家、地球物理学家和地球化学家。 他们发现了太阳系以外的行星,确定了宇宙的年龄和构造,并研究地震和火山的原因。 Shirey(谢瑞)的钻石工作是这项研究的一个分支,探索地球内部深处的奥秘。

Shirey(谢瑞)的同事王建华博士(位于同一部门的一位高级研究科学家)则研究钻石的生长结构及其碳氮元素的来源。 他的工作是利用研究所的精密离子显微探针,将由来源于地球表面的碳结晶形成的钻石与由来源于深层地幔的“原生”碳形成的钻石分离开来。

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

王博士利用这种阴极发光 (CL) 图像,揭示了钻石的多层生长结构。 王博士对碳和氮同位素的研究揭示了碳源钻石的生长方式以及生长位置。 Duncan Pay(邓肯·派) © GIA,华盛顿卡内基研究所
而隔壁的地球物理实验室晚一年创立(1905 年),研究地球内部的物理和化学成分。 该实验室是全球领先的岩石学和高压/高温 (HPHT) 物理学(包括化学气相沉积 (CVD) 合成钻石的生长)研究机构。

该实验室的一位研究科学家 Valerie Hillgren(瓦莱丽·希尔格伦)并非利用高温高压 (HPHT) 压机来生成钻石,而是小规模模拟行星的形成。 她最感兴趣的是将行星的内核与地幔分离,她目前正在研究水星。 “我们关注的是,不同元素的化学作用如何在地幔和行星内核之间分配,以及如何在更高的压力下分配,”她说。

摄影师 Pedro Padua(佩德罗·帕多瓦)在卡内基研究所地球物理实验室记录了一台高压压机关闭时的情形。 Duncan Pay(邓肯·派)© GIA,华盛顿卡内基研究所  
这两个部门一直负责广泛的研究并得出了一系列重大发现,包括地球磁场、铀原子的第一次裂变、“暗物质”概念;20 世纪 50 年代初,还测定了地球的大概年龄约为 200 万年。 在此之前,地球的年龄曾“in ambiguo”(“捉摸不定”的拉丁语),误差幅度高达 20 亿年。 卡内基研究所的研究人员为地球的年龄奠定了良好的基础。 目前的研究涵盖了地球和太阳系形成的各个方面(通过观察陨石和放射性衰变系统,对岩石和矿物进行年代测定)。

GIA 旨在与卡内基研究所在钻石相关研究领域保持紧密的联系,定期在 GIA 网站以及《宝石与宝石学》(Gems & Gemology) 刊物上发布更新以及贡献成果。

作者简介:Duncan Pay(邓肯·派),《宝石与宝石学》(Gems & Gemology) 主编;Pedro Padua(佩德罗·帕多瓦),加利福尼亚州卡尔斯巴德 GIA 内容开发部视频编辑。 Jim Shigley(吉姆·希格利)博士是 GIA 卡尔斯巴德鉴定所的一位杰出研究人员。

作者衷心感谢华盛顿特区卡内基研究所的 Steven Shirey(史蒂芬·谢瑞)博士、王建华博士、Valerie Hillgren(瓦莱丽·希尔格伦)及其同事们在考察期间为我们提供的倾力帮助和热情款待。