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原文作者：Catherine Chauvel
金伯利巖是起源於地幔深處的火山巖，但其來源的性質尚無法確定。一項對其來源演變橫跨20億年的研究或能提供這方面的寶貴信息。
被稱為金伯利巖的稀有火山巖是由源自地幔的巖漿噴發到地球表面形成的。從這些巖石上能看出猛烈噴發的痕跡，其化學和礦物成分也有別於地球上其他巖漿巖。尤其是有些金伯利巖包含釐米級大小的稀有礦物晶體，如石榴石、鋯石，以及最著名的金剛石。此外，它們含有異常大量的互不相容的微量元素，這些元素會優先進入由地幔融化而成的巖漿。
這些奇異特徵使人們對金伯利巖源的性質及其在地幔中的位置提出了疑問。Woodhead等人1在《自然》中發文稱，所有金伯利巖都來自同一個較深的儲層，該儲層在地球的大部分歷史中都得以倖存。
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Kimberlites reveal 2.5-billion-year evolution of a deep, isolated mantle reservoir
科學家已經就金伯利巖形成的多個方面達成了普遍共識。首先，金伯利巖巖漿必定富含水和二氧化碳，只有這樣才能解釋它的猛烈噴發以及相關角礫巖筒的存在——角礫巖筒是一種可以從地表向下延伸一公裡以上的圓錐或管狀結構。
其次，部分金伯利巖只能在地幔極深處形成，因為金伯利巖金剛石中夾雜著地球表面無法穩定存在的礦物成分。這些礦物包括鐵尖晶橄欖石2和布氏巖3。其中，鐵尖晶橄欖石只能穩定存在於上地幔和下地幔之間過渡帶（深度410-660千米處），而布氏巖則是下地幔的主要礦物。
第三，金伯利巖除了含有上拱巖漿結晶而來的礦物，還包含從金伯利巖源頭快速上拱過程中從周圍物質中採集的礦物和捕虜巖（巖石碎片）（見圖1）。有些礦物來自地幔深處，例如含有鐵尖晶橄欖石成分的金剛石；有些來自地幔較淺處，還有的來自於地殼。
圖1| 西格陵蘭的金伯利巖截面圖。Woodhead等人1 提出，名為金伯利巖的火山巖起源於地幔深處一個儲層，該儲層在地球的大部分歷史中得以倖存。該圖像使用偏振光拍攝，顯示了這些巖石中含有多樣且結構複雜的礦物（例如金剛石、石榴石和鋯石）。比例尺，2毫米。
但是，關於金伯利巖在地幔中的確切來源，乃至更重要的——這種源區的性質，研究人員尚未達成共識。金伯利巖可能是一種相當原始的物質，自地球形成後不久就一直存在於地幔深處。又或者，金伯利巖可能是曾經位於地表或地表附近的某種物質，後來循環進入了深層地幔。兩種解釋都有相關文獻4，而這兩種來源說同時成立的論據也很充分，因為存在兩類礦物學和地球化學特徵迥異的金伯利巖。
第一類金伯利巖的礦物通常是指原型金伯利巖，由鍶和釹同位素組成，與原始地幔的組成相似。第二類金伯利巖的礦物通常被稱為桔河巖，其鍶和釹的同位素含量更為豐富，類似於大陸地殼的組成4。桔河巖中鍶和釹的同位素豐富一般被認為是巖漿在上拱過程中與大陸地殼或地幔最上層固體部分相互作用的結果，可能無法代表金伯利巖來源的組分。
Woodhead和同事編制了最新獲得和之前發表的原型金伯利巖的釹和鉿的同位素數據。這些數據涵蓋了各個年代的金伯利巖，從不到2億年到20億年不等。作者表明，在這一長時間段內，大部分金伯利巖來源地的同位素組成似乎與原始地幔更為接近。這一發現進一步限定了金伯利巖來源的性質，原始儲層說也更有說服力，即金伯利巖來自地幔深處幾乎未受擾動的儲層。
在火山巖中發現原始物質的痕跡進一步驗證了深部地幔這一部分一直與周圍環境保持隔離的看法。發現的原始物質被稱為洋島玄武巖，可能起源於常見於核幔邊界的地震異常區5，6。對許多其他類型的巖石也有原始來源一說，如花崗巖7。這一來源位於地球深處也進一步佐證了金伯利巖具有原始來源的觀點。
對於其他類型的巖石，在巖石來源中發現循環地殼或能解釋為何它們具有接近原始同位素的組成。Woodhead等人駁斥了金伯利巖巖層來源於此的可能，因為他們認為在過去20億年的歷史記錄中，來自循環洋殼的成分理應是恆定的。此外，他們認為，某些金伯利巖金剛石中存在較高的氦比值（氦-3與氦-4比）表明了其來源很深，靠近核幔邊界。
作者的解釋可能是正確的，但是將這一模型應用於所有金伯利巖之前，還需要對一些獨立的觀察進行核對。例如，金伯利巖金剛石中的硫-33含量異常，表明該來源含有25億年前的地表物質——當時的地球大氣尚未被氧化8。但為何這種循環物質能與來源中的其他物質共存尚不清楚。
另一個潛在問題是高氦比值與金剛石中放射性衰變產生的同位素之間的未知關係。一些金剛石的氦比值低，鍶和鉛的同位素組成與地殼的相似。但是，對於先前分析的具有高氦比的金剛石，尚缺乏鍶和鉛的同位素數據9。因而，如此高的比值是否可以追溯到原始的深層來源尚未可知。
最後，雖然金伯利巖金剛石是在上拱過程中從地幔中噴射而出，但它們提供的信息可能與金伯利巖的確切來源毫無關係。為了確認金伯利巖具有原始深層起源，我們還要證明金伯利巖的巖漿本身具有高氦比等原始性特徵，或具有能代表巖漿與地核相互作用的鎢同位素異常等。還有很多工作在等著我們。
參考文獻：
1.Woodhead, J. et al. Nature573, 578–581 (2019).
2.Pearson, D. G. et al. Nature507, 221–224 (2014).
3.Nestola, F. et al. Nature 555, 237–241 (2018).
4.Farmer, G. L. in Treatise on Geochemistry 2nd edn, Vol. 4, 75–110 (2014).
5.Peters, B. J., Carlson, R. W., Day, J. M. D. & Horan, M. F. Nature555, 89–93 (2018).
6.Mundl, A. et al. Science356, 66–69 (2017).
7.Guitreau, M., Blichert-Toft, J., Martin, H., Mojzsis, S. J. & Albarède, F. Earth Planet. Sci. Lett. 337-338, 211–223 (2012).
8.Smit, K. V., Shirey, S. B., Hauri, E. H. & Stern, R. A. Science 364, 383–385 (2019).
9.Timmerman, S. et al. Science365, 692–694 (2019).
原文以 Enigmatic origin of diamond-bearing rocks revealed為標題發表在2019年9月25日的《自然》新聞與觀點上
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Nature|doi:10.1038/d41586-019-02808-w
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