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我们发现了新的钻石形成机制,但不少媒体都报道错了

我现在在约翰霍普金斯大学的地球和行星科学系读地球化学博士,导师是迪米特里·斯维尔杰斯基(Dimitri Sverjensky)。虽然地质学研究的大多数问题离大家的生活比较远,但是有一个东西大家肯定不陌生——宝石。当然,我不是搞宝石鉴定的。

这次联系科学人是因为最近我和老板一起发了一篇关于钻石形成机理的文章。我很高兴地看到最近国内有媒体报道了这件事情,但有些媒体似乎报道得根本就不对……

我们发现的是,在地幔中液体和地幔硅酸盐岩石的作用时,在某些条件下,pH会降低,同时能随之析出钻石。而这个过程只带来了流体的pH的改变,并没有伴随着氧化还原反应。这客观上降低了钻石形成的难度,因此地幔里钻石的含量也可能比之前想象的要多——然而就是这最后一句话,让有的媒体起了一个类似《地球深部全是钻石》这种姿态的标题……这完!全!不!对!(关于那个“钻石白菜价”的说明,请看钻石可能更容易形成,但这不会动摇钻石市场

因此我找上了科学人,让他们正确解读一下,我们最近的这项研究到底是在干啥。

事情是这样的:科学界之前普遍认为,钻石只有通过氧化还原反应才能形成。这是因为在地幔的那种高温高压的环境下,碳只能以二氧化碳或者甲烷的形式存在,而构成钻石的碳(0)与二氧化碳(+4)或者甲烷(-4)里的碳价态并不相同。这样一来,这些物质势必要经过氧化还原反应才能形成钻石。

针对这个问题,去年的时候我们曾经在一篇文章里证明了,其实在地幔的流体里,碳可以以别的形式存在——比如甲酸、乙酸或者丙酸。(顺带一提,当时国内其他的媒体也报道了这事儿——然而他们写错了我的名字)

好了说回研究。我们当时就意识到,乙酸的碳价态和钻石的碳是一样的,而甲酸加丙酸的混合物也能生成零价碳。我和老板在讨论那个结果时,自然而然地产生了这个问题:钻石生成的条件,一定需要氧化还原反应吗?所以当时我们提出了这样的假设:这些甲乙丙酸里的碳会不会也能形成钻石?我们就把这个假设写在了那篇论文里。

现在我们证明了,那个假设极有可能是对的。

这个事请说起来并不难:

1份甲酸根、1份氢离子和1份氢气生成1份钻石和2份水;

1份丙酸根、1份氢离子生成3份钻石、一份氢气和2份水。

你把两个式子加起来,就得到:

1份甲酸根、1份丙酸根、2份氢离子可以生成4份钻石和4份水。

也就是说,钻石的形成可能不需要外部的氧化或者还原剂的参与。它的重要性在于,单独的甲烷或者二氧化碳在自然条件下很难生成钻石,必须需要外部的氧化或者还原剂。但是我们的模型显示,含碳物质自身就能生成钻石,这大大降低了钻石形成的难度,不需要那么苛刻的条件。

这个结果几乎颠覆了之前对于钻石形成机制的认识,在我们领域算是个小突破吧。

我的老板迪米特里·斯维尔杰斯基。

好了,那我们是怎么得到这个结果的呢?

我们先是建立了一个水岩交换的模型。上面提到,地幔里是可能存在甲乙丙酸的。于是我们设置了一份初始溶液,其中包含这些含碳有机物,比如乙酸。然后把温度和压强设定成和上地幔类似的条件。接下来我需要不断地调试各种参数,让模型跑出各种可能的结果——嗯,这个过程俗称”搬砖”,如果你也在读博士,你一定能理解……参数也不是瞎调的,我们模型中岩石的组成是从别人文献里的数据里取的,加入了活度系数模型,为了让我们的模型更接近自然样品。我们发现,当水和岩石反应达到平衡的时候,还真能生成钻石。

如果你多看上面的公式两眼,你也许会发现,这个反应是需要氢离子的。这些氢离子来自高温高压下水的电离——那个条件下,因为水电离的平衡常数发生了改变,“中性水”的酸碱度在2-3之间。我们发现,地幔中液体和硅酸盐岩石相互作用时,导致H+累积而造成pH降低。而随着pH的降低,钻石也随之从液体中析出

这个图里,黑色的星星是我们的模型预测的溶液组成,从Ca+Mg+Fe向Al+Si发展。可以看到,模型里溶液的组成和文献里的钻石的流体包裹体的组成相符合。

那怎么检验这个模型是否正确呢?我们把模型里的生成物和别人测量的自然样品进行了对比,发现不同物质的含量在统计学上是一致的。这些自然样品来自于钻石在生成过程中包裹的一些的溶液和矿物。

这就是我和老板这次研究的故事。

(编辑:Jerrusalem)

参考文献:

  1. Sverjensky DA, Huang F (2015) Diamond Formation due to a pH drop during fluid-rock interactions. Nature Communications 6:8702
  2. Sverjensky DA, Stagno V, Huang F (2014) Organic carbon species in subduction–zone fluids and implications for the deep carbon cycle. Nature Geoscience 7:909–913

P.S. 这是我和本文编辑在黄石国家公园的故事……

The End

发布于2015-11-06, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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Bronzite

地球化学博士在读

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