钻石如何被岩浆带到地表？

全球有超过70%的钻石都来自金伯利岩熔体，然而这些岩层岩浆如何从地函深处喷发到地表，让许多科学家困惑不已。近期，挪威科学家透过模拟模型推测出金伯利岩层的岩浆喷发机制，该机制可能与大量的二氧化碳和水密切相关。

天然钻石镶嵌在金伯利岩中。(Shutterstock)

拥有超过200年历史的挪威奥斯陆大学（Universitetet i Oslo）研究团队，透过二氧化碳和水等挥发性化合物，模拟它们如何影响“金伯利岩熔体”相对于周围物质的浮力，以此达到量化金伯利岩浆喷发所需的条件。这项研究成果为解开此谜团迈出了重要一步，并于8月发表在《地质学》杂志上。

地质学家长期以来认为“金伯利岩熔体”是了解地球深处的重要窗口----源自地函的熔体，能迅速上升穿过地函和地壳，形成深逾150公里、形似胡萝卜状的火山管，并直达地函熔岩层。

一些研究估计，金伯利岩熔体在猛烈喷发到地表之前，上升速度可高达每小时80英里（约128公里）。在此过程中，岩浆会捕捉沿途遇到的岩石碎片，这些碎片被称为捕虏岩（xenolith）或捕虏晶（xenocryst）。

捕虏岩又称捕获岩，其矿物组成与包裹它的火成岩显[ascii]着[/ascii]不同，当岩浆上涌并冷却后，这些异质岩石便被固封其中。由于这种特性，让科学家认为研究捕虏岩，可得知有关地函组成的资料。

目前，玄武岩、金伯利岩、菱镁矿和斑岩等岩石皆原产于上地函，通常含有捕虏岩。例如玄武岩中能够看到含有纯橄榄岩（dunite），而橄榄岩（peridotite）和尖晶二辉橄榄岩（spinel lherzolite）则属于原地函的岩石。

该研究团队为了精确界定这些金伯利岩母岩熔体的成分，重点研究了加拿大西北部遥远的斯拉夫克拉通（Slave craton）的“杰里科金伯利岩”（Jericho kimberlite），并使用化学模型测试了不同比例的二氧化碳和水的原始混合物是如何影响熔岩喷发。

“斯拉夫克拉通”是位于加拿大地盾（Canadian Shield）西北部的一个古老稳定的大陆地壳区域。由于斯拉夫克拉通的古老地质年龄（科学家估计约40.3亿年前）和保存完好的地质记录，成为地质学上重要的研究对象。因此，有助于科学家理解诸如杰里科金伯利岩穿越过程中的岩浆活动，以及钻石如何从地函深处被带到地表。

本次研究中，团队的研究人员利用分子动力学软体模拟原子间的作用力，追踪金伯利岩熔体中原子在不同深度下的移动方式。他们透过计算，确定了熔体在不同条件下的密度，以及它是否具有足够的浮力能够进行上升运动。

该研究近一步揭示，挥发性物质如何在金伯利岩熔体喷发中产生不同的作用，包括水增加熔体的扩散性，使它保持流动性和液态；二氧化碳有助于在高压下形成熔体的结构，但在靠近地表的地方，它会脱气（液体、固体去除溶解气体或微小气泡的过程）并推动喷发向上。

研究人员首次证明，杰里科金伯利岩至少需要8.2%的二氧化碳才能喷发；如果没有二氧化碳，钻石就可能被锁在地函中。

他们解释，钻石之所以能够通过金伯利岩到达地表，是因为快速上升的岩浆阻止了它们在地表浅层压力与温度下重新变成更稳定的石墨。不过，金伯利岩熔体原始熔体的确切成分，以及它是如何快速地上升，对目前的科学界来说仍是个待解的谜团。

奥斯陆大学行星宜居性中心的博士研究员安娜?安祖洛维奇（Ana Anzulovi?）表示，“我们无法直接测量它们的起源，对原始金伯利岩或者说母岩的熔融物样貌，仅能掌握一个大致情况。”

安祖洛维奇表示，“当时我们的想法是先尝试创建一个金伯利岩的化学模型，然后改变二氧化碳和水的含量，将它想像成在不同压力和温度下上升的金伯利岩样本。”

她接着说，“本次研究最重要的发现是，我们成功地为耶利哥金伯利岩上涌并穿过斯拉夫克拉通（Slave craton）所需的二氧化碳量设下了限制。”

她还补充道：“我们研究中发现那些挥发性物质最丰富的熔体成分，能够将高达44%的地函橄榄岩（mantle peridotite）带到地表。这对于黏度如此低的熔体而言，这个数字令人印象深刻。”

“我真的很惊讶，在如此小辨模的金伯利岩化学建模系统中竟然能观察到，如果金伯利岩缺乏碳，其熔体密度就会大于斯拉夫克拉通（Slave craton）岩石区，就无法喷发。”研究员安祖洛维奇最后说。