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鑽石內氣泡 首次證實地下原始封存區

鑽石是我們窺探地球深處一個直接的窗口,就像直接觀察到地球深處原生態環境。(ShutterStock)
鑽石是我們窺探地球深處一個直接的窗口,就像直接觀察到地球深處原生態環境。(ShutterStock)

編譯/笛睿
科學界認為在地函存在一種原始封存區,地球剛形成時期的化學元素、空氣被原封不動地定格在其中,完好地保存至45億年後的今天。找到這些空間將能了解地球誕生時期的很多祕密。不過科學家對這樣的原始封存區是否存在有不同看法。

發表在《科學》(Science)期刊上的研究,通過分析鑽石內部微觀小氣泡,首次證明原始封存區的存在。這份研究的主要作者澳洲國立大學(ANU)的地球化學家Suzette Timmerman說:「鑽石是我們窺探地球深處一個直接的窗口,就像直接觀察到地球深處原生態環境。」

存在原始封存區的猜測

地球可分為四層:堅硬的內核、液態的外核、地函和地殼。地函是最厚的一層,約2,900公里,又可以分為上部地函和下部地函兩個層次。板塊構造活動一般發生在上部地函。

很久前科學界就認為,地函內應該有一種原始封存區,裡面的石頭,和月球、甚至地球一樣古老。但無證據證實其存在。

上世紀80年代,一些科學家在夏威夷島的玄武岩熔岩的化學成分中發現很不一樣的特點:裡面氦-3與氦-4同位素之比相當高。而海底板塊縫隙中迸發出的玄武岩就不具有這樣的特點。

研究者知道,氦-3與氦-4同位素之比是透露氦元素來源的重要證據。

沒有參與這份研究的地球化學家、麥覺理大學(Macquarie University)的Stephen Foley說:「氦-3是地球誕生時期的產物,後期不可能再生成。」而氦-4可由其他元素衰變得到,如鈾或釷。

因此夏威夷島玄武岩熔岩的氦,其特性表明那樣一種原始封存區存在的可能性,但不足以作為證據。因為岩漿在一路上升到地表形成玄武岩熔岩的過程中,其化學構成很可能受周圍物質的影響而產生改變。

自那時起,研究者們就原始封存區,是否有可能完好地被保存至今、仍存在於地函中,有著不同意見。

從深層鑽石中找到答案

鑽石在地函的高溫高壓下形成,由火山活動帶到地表。鑽石很穩定,在這個過程中不會受到影響而發生改變。因此科學家認為,研究鑽石內部微觀氣泡,就等於窺探到其形成時周圍環境的壓力和溫度。

Timmerman研究組幸運地從一些來自地下深處的鑽石中找到了答案。他們研究的鑽石來自巴西地表以下410~660公里深處,是普通鑽石來源地深度的兩倍多。這個深度也是上下部地函之間的過度帶。

他們將24顆鑽石切片,用電子顯微鏡分析裡面所含的微量元素、同位素。

結果發現,這些鑽石中的氦-3與氦-4同位素之比很高,證明原始封存區的確存在,可能位於這些鑽石形成的位置,或在更深的下部地函。

Foley說,這份研究終於為這個長時間的爭議給出了答案。

仍待解決的問題

Timmerman說,這份研究的結果令人激動,但是還有很多謎題等著被解開。例如,在地下有多少個這樣的原始封存空間?每個有多大?裡面更具體的化學成分結構如何?它們是怎樣形成的?◇