用鑽石一窺地球的過去

Storyteller/蓋瑞王      Painter/蓋瑞王

「鑽石恆久遠,一顆永流傳」。鑽石不只可以讓你從好幾世代前曾曾曾祖母手中傳承下來,並讓你傳承至好幾世代之後,鑽石甚至能告訴你地球好幾億年前的故事!是有沒有那麼神,繼續看下去就知道了。

 

追溯一切的源頭

故事發生在南非的約翰尼斯堡。五名分別來自金山大學(Katie Smart、Susan Webb、 Lewis Ashwal)、約翰尼斯堡大學(Sebastian Tappe)、及阿爾柏塔大學(Richard Stern)的教授,為了了解現今形式的板塊構造於何時開始在地球上活動,於是向美江尋求…喔不對,是向非洲博物館借用了三顆維瓦特斯蘭鑽石研究。

地球年齡大約45億年,而目前已知最古老的岩石紀錄為40億年左右,考量這些古老岩石複雜的保存史,地球化學家們好奇地球的板塊活動是從何時開始的?目前大多學者相信板塊活動起始於太古元(Archaean Eon),但真正的時間點還是有待辯證。

「許多科學家試圖從古老的岩塊,像是南非的巴柏綠岩帶(Barberton Greenstone Belt,岩石年齡:35億年)、或是加拿大西北方的Acasta片麻岩(Acasta Gneiss,岩石年齡:40億年),來釐清板塊活動開始的時間;我們則試圖用不同的觀點,藉由從地函而生的礦物-鑽石-來解決此問題」Smart教授如此說,「因為鑽石是地球上最硬、最堅強的物質之一,他們是絕佳的微小時空膠囊,並能提供我們極早以前的地球歷史。」

 

鑽石竟然內藏玄機!?

維瓦特斯蘭鑽產自維瓦特斯蘭角礫岩層,該岩層因生產黃金而頗負盛名。在挖礦工業化之前,約1890-1930年之間,維瓦特斯蘭鑽石皆藉由人力挖掘出土。但工業化之後,大多的鑽石因機械開挖而破碎,因此僅存的維瓦特斯蘭鑽石顯得格外稀有。諷刺的是,越稀有的鑽石,越是記錄了板塊活動的重要時間。

我們先來說說為何科學家們那麼在乎板塊活動這件事。板塊活動對於地球塑形極為重要,當它造就了地震、火山噴發等地質現象,板塊活動同時建構了地球的地表形貌,像是海溝及高山。地球也因具有板塊活動,相較其他行星更顯獨特。

回到鑽石本身,大多數已知的鑽石生成年齡都小於30億年,但因維瓦特斯蘭角礫岩年齡至少有30億年,其中的鑽石則為他處搬運過來的沉積物,顯示鑽石的實際年齡肯定大過於此。而實際年齡到底是多少,則需要對鑽石做定年分析。

鑽石的定年並非研究鑽石本身,而是研究其中的液包體(inclusions)。這些液包體被認為是鑽石生成同時期被包裹的物質。藉由氮及碳的放射性同位素分析,我們可以得知這些液包體的生成時間-也就代表了鑽石的生成時間。而研究顯示地球的板塊活動可能於35億年前就開始了。

「因氮同位素組成僅來自地球表面,維瓦特斯蘭鑽石中所含有的氮同位素說明其來源並非地函,而是地表。這很重要,因這表示板塊構造運動於太古時期開始,並將地表的物質帶入地函中。」Smart教授說。

因此重建當時的狀況:地球的板塊活動藉由地函對流胞(convection cell)的推動(你可以想像地底下有個輸送帶),以及中洋脊不斷新生地殼並向外擴張(相當於物品受輸送帶運轉而移動),使得較古老、寒冷且密度高的地殼於板塊聚合處向下隱沒至7~2800公里深處。此作用同時帶入了地球表面的物質,包含沉積物及有機物質。這些有機物的足跡(即氮與碳同位素)同鑽石生成時被保存下來,並被帶至地表,最後沉積在現在所見的角礫岩層中。

「我們雖非第一個以研究鑽石來了解板塊活動的團隊,但根據我們的研究結果顯示,地球的板塊活動至少於35億年前就開始了」Smart教授表示。

沒想到吧,小小的鑽石除了拿來當作裝飾品,還能告訴你近似神話般的史詩情節。但你可別因此想把你家祖傳的鑽石偷偷拿去分析,你曾曾曾祖母在天上有知,可能會託夢來罵你的。

 

對原文章有興趣的朋友請參考:

Diamonds used to “probe” ancient earth, Geology page, 2016.01.20

 

延伸閱讀:

Diamonds used to “probe” ancient earth, Wits University, 2016.01.19

尋找板塊運動開始的時間》─ Ruei