钻石含有地球古代大气的残留物

如果你想了解早期地球，那么谜题的关键部分就是我们星球古代天空的空气。例如，今天地球的大气层充满了支持我们星球生命令人难以置信的多样性的气体。了解这些气体何时进入大气层可以帮助我们了解生命是如何在我们星球的原始海洋中首次出现的。

幸运的是，在寻找答案的道路上，科学家们拥有一个特别显眼的时间胶囊，可以照亮他们通往过去的路：钻石。这些珍贵的宝石是保存地球古老过去的秘密的独特有用样本。事实上，它们是“我们拥有的唯一直接来自地球深处的样本”，法国岩石学和地球化学研究中心 (CRPG) 的地球化学家迈克尔·布罗德利 (Michael Broadley) 说。

现在，通过研究一些特别古老的钻石的碳笼内所捕获的气体，布罗德利和他的同事已经提出证据，表明今天我们空气中赋予生命的气体成分实际上与 27 亿年前地球大气层的成分非常相似。

下面有气体，上面也有气体

在地幔碳碎片中寻找远古大气的痕迹听起来可能有点奇怪。但科学家正在寻找的许多气体实际上都是从地幔中迁移上来的。

地球的地幔和天空之间的联系比你想象的要紧密得多。来自地底的气体可以进入空气中，这个过程被称为排气。在我们的星球之外，这就是为什么像月球这样的星球会有极薄的大气层。但其中一些气体最终并没有流向高空，而是被困在新生的钻石中。

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在地幔的半固态岩浆中，当碳在灼热和极强的压力下开始结晶时，新生的宝石会在此过程中吸收其他矿物质和液体。这些碎屑会被困在钻石中，形成所谓的内含物。

这些钻石需要经过漫长岁月才能浮出水面，因为岩浆会冒泡，火山会喷发。即使是已知最年轻的钻石也比恐龙灭绝还要古老。像布罗德利和他的同事研究的钻石，其年龄是地球现今年龄的一半以上（约 45 亿年）。最古老的钻石可能长达 35 亿年。

加拿大阿尔伯塔大学地球化学家苏泽特·蒂默曼 (Suzette Timmerman) 表示：“钻石之所以如此特别，是因为困在里面的物质都能保存下来，因为钻石内部不会进出任何东西。”她没有参与这项研究。与岩浆变成火成岩不同，钻石不会熔化和重新结晶。

未经雕琢的钻石

不过，这些并不是你在珠宝店里能找到的钻石。世界上最令人向往的钻石可能是清澈无瑕的，但对于地球化学家来说，瑕疵越多越好。

因此，布罗德利和他的同事研究了这批钻石中的次品，这是一种被称为纤维状钻石的宝石，它充满了液体和内含物，因此通常呈黑色或棕色。它们往往被用来制作镶有钻石的工具，而不是配饰。“你可能会误以为它们不是钻石，因为它们看起来并不像钻石，”布罗德利说。

一旦研究人员得到了钻石，他们就必须解开其中的物质。但蒂默曼说，这并不容易。“这需要大量工作，因为钻石是地球上最坚硬的物质。它们不容易加工。”

有几种方法可以让钻石显露出它们的气体秘密。一种方法是将钻石碾碎成粉末。但布罗德利和他的同事采取了第二种方法，加热钻石，使其中的碳原子恢复为石墨，就像铅笔芯中的石墨一样。石墨的原子结构不利于保持液体，因此当钻石变成石墨时，这些液体会以气体的形式释放出来。

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研究人员随后可以分析释放的气体，以确定数十亿年前存在哪些气体。特别是，布罗德利和他的同事研究了化学家称之为稀有气体的三元组：氦、氖和氩。

地幔中有两种稀有气体。第一种稀有气体起源于地球的形成，来自太空的某个地方。第二种稀有气体，尤其是氦，是放射性衰变的副产品，而这些过程至今仍在发生。

特定元素的原子核可以具有不同数量的中子，从而导致同一种元素具有多种“性质”，即同位素。通过测量稀有气体中同位素的比例，研究人员可以确定在钻石形成时地幔是否已经将其气体释放到大气中。

布罗德利和他的同事发现，这些数十亿年前的钻石中的稀有气体成分与当今上地幔中的成分非常接近。这表明，如果气体从古老的地幔中逸出，那么在这些特殊的钻石形成时它们就已经逸出了。

然后，布罗德利说，“在接下来的 27 亿年里，它一直保持相对稳定。”

布罗德利和他的同事上周在戈德施密特地球化学会议上展示了他们的研究成果。

钻石或许能为生命最早的进化提供新的见解

蒂默曼说，布罗德利的研究方向相当新颖。她的博士论文和她的一些同事的研究都集中在钻石中的氦。但她说，这项研究是首次研究氖和氩。

布罗德利表示，他们已经在研究钻石中蕴含的其他元素，比如碳和氮。这些气体对于生命的形成至关重要，这项研究的结果表明，它们至少在 27 亿年前就已经进入大气层。

事实上，蒂默曼表示，研究钻石中的这些液体有助于解答一些令人着迷的问题。“地球早期的大气成分是什么样的？它适合生命存在吗？在那种情况下，什么样的生命能够发展？”