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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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煤钻?美钻!  

2012-05-03 17:27:51|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:花栗鼠习作

作者:田小森

钻石是煤球?

某日,和死宅朋友一起看电视,在故事情节经历了各种跌宕起伏后,男主角终于鼓起勇气准备向女主角求婚。当女主角毫不知情的走入男主角布置好的房间后,发现满是鲜花和烛光。当她还没回过神,一束光就打在她的正前方,男主角单膝下跪一脸诚恳的献上了一颗硕大的钻戒。可想而知,女主角瞬间感动得一塌糊涂。于是情节被打断,有什么东西乱入了。死宅同学在我旁边顿时笑得前仰后合说:“啊,世界上的人难道都喜欢在这么重要的时刻被一大群植物的生殖器围着,并且用一坨小煤球以示诚意么?”

这个吐槽看似机灵,但总觉得有什么可以去考据考据。说花是植物的生殖器似乎是没有什么问题的,但是说钻石是一小坨煤球,有他的道理么?难道就因为同是由碳构成,钻石就一定是由煤球变成的?

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耀眼的钻石

在面对如此价值不菲的宝石时,科学家们尝试着通过各种方法来解释它是如何形成的。因为事实通常和我们的想象总有些距离,钻石的形成肯定也不例外,是否全部的白天鹅上辈子都是折翼的丑小鸭,还真可以较较真。

通过现代的科学验证,我们知道,同一种元素在不同的原子排列和连接方式下可以形成多种不同的表现形式,这个现象叫做同质多象。生活中,我们常见的石墨和较为罕见的钻石就是典型的碳元素同质多象的表现。在现代科学技术的支持下,想要把碳单质从石墨转变为金刚石(也就是在本文中说到的钻石)已经不是什么难事,只需要将石墨放在在5-6万个大气压强以及摄氏1000到2000度高温下,再用金属铁、钴、镍等做催化剂就有可能实现。但条件这些都是实验室里通过各种极端方式创造产生的,在我们眼里,自然界中这样极端的条件是非常少见的,那么钻石在自然界中又有着怎样曲折的生世呢?

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天然石墨

多种方式形成钻石

穿过我们脚下的大地,越过厚度在几到几十公里不等的地壳以后便是地幔,这里的温度和压力之高是在地表不可想象的,这里几乎不存在任何的生命现象。但同时,正是在这样极端高温和高压的条件下才是我们视为珍宝的钻石形成的理想之地。在地幔中,那些局部富集的碳元素经过极端高温和高压的共同作用为钻石的形成提供了必要的条件。这些富集的碳元素和包裹它的岩浆极不安分的在地底寻求释放压力的机会,一旦有了通向地表的岩浆通道,它们就迅速在压力差的作用下从地底窜到地表。目前对整个过程中钻石形成的解释有两种不同的方式,主流的观点认为钻石在地幔中就已经形成,岩浆通道只是给它们提过了一条通往地表的道路;而另一种观点则认为,当岩浆从极端高温高压下瞬间转换到开阔的地表条件下,物理条件的剧烈变化引起岩浆发生复杂的化学反应,碳元素也快速结晶形成大小不等的钻石颗粒。从结晶学的理论,我们更偏向于第一种解释,但是由于钻石在许多特性上都与其它晶体有所差异,它在形成机制上的第二种解释也是值得参考的。

在十九世纪中期以前,人们能够开采的主要钻石矿点都是砂矿点,这些矿点或是由于风化作用,把出露地表携带着钻石的金伯利岩中容易被破坏的成分带走之后,使得相对不容易被破坏的钻石在局部富集而形成;或是由于当暴雨或河流把沿途零星出现的钻石冲走带到水流较缓的地方沉淀富集而形成。直到二十世纪初期,当科学家在南非金伯利首次发现携带着钻石的金伯利岩岩筒后,从岩筒中直接开采钻石的时代才逐渐走上历史舞台。

现在看来一切顺利,可是事情并没那么简单。事实上,并不是所有的地方都有足够的碳元素富集以提供形成钻石的条件;也不是所有的岩浆都是包裹着钻石的聚宝盆,只有在成分上能形成金伯利岩或钾镁煌斑岩的岩浆才会包裹着足以达到开采标准的钻石含量。说到这里,我们还可以举这样一个例子从侧面说明包裹着钻石的金伯利岩是多稀有:到目前为止,科学家已经对全球范围内数以万计的火山喷发作用进行了详细观察和描述,但在这其中,并没有识别出任何一次的火山喷发是与金伯利岩的形成有关的,也就是说,在这些被观测的火山喷发中很难找到钻石的身影。

关于金伯利岩稀有的故事讲到这里,细心的朋友可能都会关心一个重要的问题。那就是,在地幔中的碳元素是地表的煤炭跑到地下那么深温度那么高的地方去的吗?如果不是,那这些碳元素又是从哪里来的呢?研究者们解释说,这些碳元素应该不是地表的煤炭传输到地下去的,因为它的传送机制本身就是一个很大的问题,其次它们在形成的时间上也有很大的差异。从多方的观察来看,这些碳元素很有可能来自地球形成的初期,组成地球的各个部分在汇聚碰撞时被留在地球内部的。

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【地幔成因的钻石搬运示意图】

其实熟悉地质的人应该都知道,板块运动对钻石的形成也有不小的功劳。从板块构造的角度出发,在两个板块互相靠近并且相互挤压的地方会形成压力很高的区域,当一块板块无法继续忍受高压滑错到另一板块之下插入地幔时(通常是洋壳俯冲到陆壳之下),高温和高压的条件就同时具备了。此时,如果有适当的碳元素输入,在接近地幔的俯冲区形成钻石也是情理之中的。当然,这里碳元素的输入主要是之前形成在洋壳之上的灰岩(碳酸钙)、白云岩(碳酸钙镁)、大理岩(经过变质作用的碳酸钙或碳酸钙镁)这些富含碳元素的岩石类型。

把形成的问题解决后,深埋地幔中的钻石如何返回地面又成了新的问题摆在我们面前。通常在汇聚板块的边缘,也就是两个板块相互挤压的边缘,除了形成俯冲带以外,在更靠近被俯冲的那一侧的板块边界上往往会因为俯冲板块的拉动和地幔物质的上涌共同作用形成岩浆弧,这些岩浆弧便是钻石从俯冲区返回地表的良好通道,它们常呈带状分布在板块的边缘。可惜,由于在这种方式下形成的钻石本来就很少,岩浆弧通常又呈大面积在地表分布分布,想要在这里面找到足以达到开采标准的钻石矿点真是难之又难。

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【俯冲带钻石形成示意图】

除此之外,我们能在地表很多的陨石坑附近找到钻石的影踪。因为,当陨石试图穿过大气层抵达地球表面时,它首先得经受强大的大气摩擦所产生的巨大热量,而且自身的超高速移动也会产生巨大的压力。据观察,陨石在大气中飞跃的速度比声音传播的速度还要快,它和大气摩擦所产生的热量能够达到比太阳表面温度还要高的程度。当它穿过大气层撞击地表上诸如灰岩、白云岩、大理岩或者其它含有大量碳元素的地层时,形成钻石也是一件相当轻松的事情。这种方式形成的钻石早在二十世纪末期就有相关的报道,一群俄罗斯科学家在研究西伯利亚波皮盖陨石坑时发现并记录了它们。之所以没有引起各方的重视,是因为经过这样的方式形成的钻石在空间分布上要比其它方式形成的局限得多,而且所形成的钻石的粒度也比平时所需要的钻石颗粒小得多。

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地球表面的陨石坑

当然,既然提到了陨石撞击地球形成钻石,那就不由得把目光伸向宇宙这片空间中去。经过NASA的研究者证实,他们在来自外太空中的陨石上发现了无数的大小在纳米级别的微钻石(Nanodiamond),在这些陨石中,几乎有三分之一的碳元素都是以微钻石的状态保存下来的。当谈及这些钻石的形成过程时,研究员推断说它可能与陨石间的碰撞有关,而形成这些微钻石所提供的碳元素几乎是来自地球以外的地方。像这样包含在陨石中的钻石,由于粒度实在是太小,做宝石不可能,工业使用也嫌它级别达不到,它们现在能提供的最大的用处也就只有在科研方面作用了。不过如果硬要说它有什么用处,用它来引申宇宙的浩瀚也是未尝不可的。想象能拥有一枚来自浩瀚星空的陨石做成的纪念物握在手中,其中还包含着在几亿到几十亿年以前的碰撞形成的微钻石,那些喜欢在夜晚仰望星空的人们和那些科幻迷一定会为此心潮澎湃到不能成眠。

年龄上也差很远

在讲完了几种科学家认为可以形成钻石的方式之后,我们已经可以用有力的证据来用一张极其意味深长的脸面对吐槽的死宅,告诉他,你一定没经常上科学松鼠会的网站吧!但是为了证据的充分性,我们还可以尝试从另一个角度来证实钻石和煤球之间并没有自然的转化关系。

研究者们曾对许多的钻石样本都做了测年工作,但绝大多数的年龄值都落在距今约5.4亿年的寒武纪以前,钻石中最老年龄数据甚至有接近地球的形成时间(46亿年)的。而我们都知道,只有在植物大量登陆的早古生代末期(4.6~4亿年以前)以后才可能有煤炭的大量形成。也就是说从年龄上来说,钻石可能是煤球祖祖祖祖祖祖祖祖祖祖……辈的显赫碳物了。

不过最近也有用稳定碳同位素(C12和C13的比值)来测量钻石可能的有机来源,他们通过对不同钻石的测试发现,除了有一部分的钻石来自完全的地幔岩浆作用以外,还有一部分碳元素的提供可能是来自有机物的。等等,这些有机物可能是煤球的成分么?其实就像我们前面提到的,在板块俯冲时,在洋壳上的一些有机物可能伴随着俯冲的过程被携带到地幔部分作为潜在的碳元素供给物。只是,这样的有机物和煤球相去甚远,煤炭通常是由植物的枝干等在埋藏后经过相应的地质作用后形成的,而这里的有机物可能是海洋身生物的残体或者排泄物,也可能是他们在生命活动中建造的附属物,例如生物礁之类的。

写在结束前

管它是不是植物的生殖器,鲜花无疑是漂亮的,它有可人的形态和让人觉得愉悦的色彩,庆祝时我们总寄予它表达我们对生活的美好希望。相同的,我们也可以不用太在意钻石是不是煤球,因为只要它本身极为炫目色泽和恒久远的物理性质能够获得我们的认同,将它作为人们承载人们对爱情的寄托这就已经足够了。

好吧,还是溯鹰改的初稿 谢谢好基友

沐右,橡树村和锂提供的修改意见让我受益匪浅。

注释

1,金刚石和钻石的关系就像是木材和家具的关系。这里模糊了加工的那层含义而直接使用钻石代表金刚石,是为了在本为的表达中有更好的意境。
2,金伯利岩:一般为碱性或偏碱性的超基性岩,是具斑状结构或角砾状构造的云母橄榄岩。由于1887年在南非的金伯利(Kimberley)发现而命名。是产金刚石的最主要火成岩之一。

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