神秘的“地心来客”
——新矿物“青松矿”发现之旅
来源:国土资源报
作者:刘维
发布时间:2013-09-30
2013年8月，一种以中国地质学家命名的新矿物诞生了，这就是发现于西藏罗布莎蛇绿岩带的超高压矿物——青松矿。这是一种被证实来自地下400公里深处的地球原生矿物。它的发现，凝结了中国两代地质学家的心血。中国地质科学院大陆构造与动力学国家重点实验室地幔研究中心负责人杨经绥，见证了这段长达30年、几经周折最终峰回路转的新矿物发现史。
神秘的“地心来客”
成分分析表明，青松矿的矿物分子式为BN，其中硼含量为48.54%，氮含量为51.46%。这种矿物粒度十分细小，多数粒度为纳米级，最大颗粒也不过1微米，被包裹在微米级的超高压柯石英和蓝晶石组合中，人类肉眼完全看不见。
“这种新矿物的发现，是微观研究的一个范例。”杨经绥说。如果没有聚焦离子束和透射电镜两种新手段，青松矿恐怕至今仍不为人知。
实验结果表明，青松矿的形成温度为1300℃，压力为10GPa～15GPa。这说明，青松矿来源于深度大于300公里的地幔，是货真价实的“地心来客”。
其实，在人类不停探索地球深部矿物的路上，氮化硼作为实验矿物，已经被科学家发现。全世界的科学家都希望能够找到深部矿物，他们不停地实验，通过模拟地球深部环境，配比不同材料，做出各种各样想象中的“深部矿物”。氮化硼这种透明的、硬度几近金刚石的“深部矿物”，也早已被制作出来。同时，在天外来客陨石中，科学家们也发现了氮化硼。但青松矿的价值是不同的，它是人类第一次寻找到来自地球深部的氮化硼矿物，不是产自实验室，也不是天外来客，而是地心来客。
它的发现，将科学家们对地球深部的推测、想象，落到了实处。
然而伴随着新发现的，还有令人困惑的疑问：青松矿发现于地表，却来自于地幔深部，它是如何从地底400公里深处“上浮”到地表的？
按照科学家们的推测，硼这种轻元素，并不属于地下几百公里地幔的家庭成员。那里，应该是大密度矿物的地盘。硼又是怎么“下沉”进地幔，还和氮一起形成了氮化硼？
青松矿的“地心游记”
青松矿在地底经历了怎样的神奇旅程，才会从地壳“下沉”到地幔，再从地幔“上浮”到地壳？杨经绥讲述了一个新矿物的“地心游记”。
青松矿发现于西藏罗布莎的蛇绿岩带。蛇绿岩其实是古洋壳，也就是史前大洋的海底。
在遥远的远古时期，今天的世界屋脊曾经是浩瀚的大洋，正经历着疯狂的地质运动，海底扩张，板块俯冲。那里发生的地质作用，恰似如今的太平洋，新的洋壳不断在大洋中脊生长，老的洋壳在海沟消亡。海沟犹如黑洞，将沉积在海底的一切物质吞噬殆尽，把它们统统送进了地底深部，而能够保留在地表的仅仅是极少数。硼这种本来存在于地壳的小密度元素，就这样随着地质运动的洪流，身不由己地冲进了本不属于它的地幔。
地壳中许多矿物在下行过程中，水分被慢慢榨干，自身比重会逐渐增加，新的矿物组合逐渐形成。当运行到地下410～660公里深度的上下地幔过渡带，更剧烈的岩石和矿物的重组发生了。
根据地球物理的实验结论，上下地幔过渡带是一个塑性的充满流体的低速带。科学家推断，俯冲下去的地壳物质中有许多放射性物质，例如铀、钍、铅等，使得这里升温。地幔过渡带被认为有很多水。水和高温把这里变成一座大熔炉，加速了矿物的融化、重组。融化使得物质易于流动和运移，当物理化学条件改变时，它们就会结晶成新的矿物，于是生成了氮化硼等高压矿物。此时只要有路径，它们会想方设法重回适宜它们“生存”的地壳。
这个发现印证了一个新概念——地幔柱。板块向下运动，地幔柱则是向上运动，如此才实现了地下物质的循环交换。“这是一个新认识到的地球运动规律。”杨经绥说，“而青松矿的形成与发现，恰恰反映了这个波澜壮阔的地质过程。”
铬铁矿中的金刚石
青松矿的发现，源于30年前的一个铬铁矿评价项目。
上世纪80年代初，正值壮年的方青松来到了西藏罗布莎铬铁矿区，这是当时正在进行的全国铬铁矿评价项目的重要一站。刚刚走出校门的杨经绥，也参加了项目。开展铬铁矿评价的同时，也需要对与铬铁矿伴生的有用元素予以评价，方法是把矿石磨碎，挑选其中的有用矿物。
透过显微镜，方青松在一堆黑色矿物中发现了一些亮晶晶的微粒，最大直径只有0.5毫米。分析鉴定结果令人激动，竟然是金刚石！
接到报告后，原地质部非常重视，马上立项，期待西藏在金刚石的找矿方面有所突破。结果是所有发现的金刚石粒度全部小于1毫米。人们只好把惊喜当作无足轻重的意外。在发表了两篇文章后，此事画上了一个不圆满的句号，也在年轻的杨经绥心里，画上了一个大大的问号。
上世纪八九十年代，当年参加项目的一批年轻人纷纷走出国门。杨经绥也前往加拿大留学，攻读博士学位。10年后的旧梦重提
10年很快过去了。1994年，杨经绥学成归国。
他请来当年在西藏共事的方青松、白文吉，旧梦重提。当年心愿未了，而今能前缘再续，即将退休的两位老科学家十分高兴。杨经绥用申请到的5万元回国基金，开始了新一轮的西藏蛇绿岩中深部地幔矿物的研究。
其时，该项研究面临的不仅仅是经费匮乏的问题，阻力还来自国内外同行的种种质疑。
反对者认为，这么微小的金刚石，像一粒灰尘一样，风一吹都能进来，也许它来自陨石，也许来自人工污染。总之，各种可能都有，就是不可能产在西藏的铬铁矿中。因为，经典的地质理论认为，金刚石是来自地底深处的超高压矿物，怎么可能存在于形成于地球浅部的铬铁矿中？
事实是，当时确实没有找到令人信服的证据。
杨经绥没有气馁。1999年，他申请到第一个自然基金项目《地幔超高压矿物及其形成环境和构造意义》资助，这是该项研究的一个重要转折点。之后几乎5年一个节点，2005年，杨经绥申请到与美国毛河光院士合作的自然基金重大国际合作项目；2010年，获得自然基金重点项目资助。又一个10年过去，局面终于打开。
期间，杨经绥率队于2005年去俄罗斯乌拉尔山考察。这里产有和西藏罗布莎一样的铬铁矿。他们从1吨多的铬铁矿中发现了千余颗金刚石！研究工作有了重大突破。
2006年，杨经绥将工作范围扩展到罗布莎全部三个矿区。在康金拉矿区，他们获得了和乌拉尔山一样的发现。通过对围岩地幔橄榄岩取样分析，发现了大量的深部矿物金刚石！
2007年，杨经绥等在美国《地质学》杂志，报道罗布莎铬铁矿中发现超高压矿物柯石英和锇铱矿中发现了微粒金刚石包裹体，研究认为其形成地下300公里深度。该文章引起国际同行的关注。同年，在斯坦福大学举办的罗布莎地幔矿物小型研讨会上，西藏的深部矿物一致获得与会国际权威的肯定。
“乌拉尔铬铁矿中金刚石的发现，不仅仅佐证了罗布莎的发现，并且表明大洋地幔橄榄岩中存在深部矿物可能是一个普遍规律。这个认识太重要了，因为这不仅仅意味着关于铬铁矿浅部成因的主流观点值得重新推敲，而且可能改变已有的蛇绿岩成因认识，尤其通过这项研究，可以探讨深部地幔物质组成及地幔运动规律。这将是一个全新的十分重要的研究方向。”杨经绥说。
之后的研究，证明了这个推测。近些年来，杨经绥团队一路向西，新疆、内蒙古、阿曼、土耳其、阿尔巴尼亚……他们的目标瞄准了世界各地的蛇绿岩带，并且在不同的造山带中不断发现了金刚石等深部矿物。
漫长的超高压矿物研究路
青松矿的发现，得益于柯石英的发现，因为它是柯石英中的包裹体。另一方面，也得益于现代的高新技术。首先用聚焦离子束将柯石英切割成50纳米厚的薄片，在透射电镜下发现并确定。实验是在德国完成的，该发现是杨经绥团队和美国、德国科学家合作的结果。
10多年间，杨经绥马不停蹄地四处做实验、在各种学术会上作报告，说服反对者，争取合作者。
2012年，美国斯坦福大学LouieLiou教授发表文章指出：“蛇绿岩铬铁矿中的发现超高压矿物打破了传统蛇绿岩铬铁矿形成于高温、低压的洋中脊或弧后扩张环境的传统观念的‘禁锢’。这些发现结合在其他蛇绿岩（如极乌拉尔）中相似的发现，唤起了在全球蛇绿岩铬铁矿中寻找超高压包裹体的兴趣。”国际超高压委员会主席La-rissaDobrzhinetskaya教授在2011年出版的《超高压研究25周年纪念专著》的前言中也指出：“新的发现提供了罗布莎铬铁矿超高压变质相的确凿证据，揭示了这些神秘矿物的成因……开启了大陆物质和方辉橄榄岩型地幔橄榄岩混合物残片的新的研究领域”。
最近，杨经绥团队联合了国际上10余个国家的专家及其研究团队，在大陆构造与动力学国家重点实验室的框架下成立了地幔研究中心。地幔研究中心计划开展全球不同地区、不同时代和不同构造背景产出的代表性蛇绿岩地幔橄榄岩和豆荚状铬铁矿的矿物学、地球化学和同位素等多学科的综合研究，旨在查明金刚石等超还原超高压矿物群和其他矿物在大洋岩石圈中的空间展布、赋存状态及其形成和保留过程，探讨地幔物质组成和深部地质作用及蛇绿岩中铬铁矿的形成深度和成因机制，并为国家的铬铁矿找矿服务。
杨经绥和他的团队在超高压矿物研究之路上大步前进。
神秘的“地心来客”
成分分析表明，青松矿的矿物分子式为BN，其中硼含量为48.54%，氮含量为51.46%。这种矿物粒度十分细小，多数粒度为纳米级，最大颗粒也不过1微米，被包裹在微米级的超高压柯石英和蓝晶石组合中，人类肉眼完全看不见。
“这种新矿物的发现，是微观研究的一个范例。”杨经绥说。如果没有聚焦离子束和透射电镜两种新手段，青松矿恐怕至今仍不为人知。
实验结果表明，青松矿的形成温度为1300℃，压力为10GPa～15GPa。这说明，青松矿来源于深度大于300公里的地幔，是货真价实的“地心来客”。
其实，在人类不停探索地球深部矿物的路上，氮化硼作为实验矿物，已经被科学家发现。全世界的科学家都希望能够找到深部矿物，他们不停地实验，通过模拟地球深部环境，配比不同材料，做出各种各样想象中的“深部矿物”。氮化硼这种透明的、硬度几近金刚石的“深部矿物”，也早已被制作出来。同时，在天外来客陨石中，科学家们也发现了氮化硼。但青松矿的价值是不同的，它是人类第一次寻找到来自地球深部的氮化硼矿物，不是产自实验室，也不是天外来客，而是地心来客。
它的发现，将科学家们对地球深部的推测、想象，落到了实处。
然而伴随着新发现的，还有令人困惑的疑问：青松矿发现于地表，却来自于地幔深部，它是如何从地底400公里深处“上浮”到地表的？
按照科学家们的推测，硼这种轻元素，并不属于地下几百公里地幔的家庭成员。那里，应该是大密度矿物的地盘。硼又是怎么“下沉”进地幔，还和氮一起形成了氮化硼？
青松矿的“地心游记”
青松矿在地底经历了怎样的神奇旅程，才会从地壳“下沉”到地幔，再从地幔“上浮”到地壳？杨经绥讲述了一个新矿物的“地心游记”。
青松矿发现于西藏罗布莎的蛇绿岩带。蛇绿岩其实是古洋壳，也就是史前大洋的海底。
在遥远的远古时期，今天的世界屋脊曾经是浩瀚的大洋，正经历着疯狂的地质运动，海底扩张，板块俯冲。那里发生的地质作用，恰似如今的太平洋，新的洋壳不断在大洋中脊生长，老的洋壳在海沟消亡。海沟犹如黑洞，将沉积在海底的一切物质吞噬殆尽，把它们统统送进了地底深部，而能够保留在地表的仅仅是极少数。硼这种本来存在于地壳的小密度元素，就这样随着地质运动的洪流，身不由己地冲进了本不属于它的地幔。
地壳中许多矿物在下行过程中，水分被慢慢榨干，自身比重会逐渐增加，新的矿物组合逐渐形成。当运行到地下410～660公里深度的上下地幔过渡带，更剧烈的岩石和矿物的重组发生了。
根据地球物理的实验结论，上下地幔过渡带是一个塑性的充满流体的低速带。科学家推断，俯冲下去的地壳物质中有许多放射性物质，例如铀、钍、铅等，使得这里升温。地幔过渡带被认为有很多水。水和高温把这里变成一座大熔炉，加速了矿物的融化、重组。融化使得物质易于流动和运移，当物理化学条件改变时，它们就会结晶成新的矿物，于是生成了氮化硼等高压矿物。此时只要有路径，它们会想方设法重回适宜它们“生存”的地壳。
这个发现印证了一个新概念——地幔柱。板块向下运动，地幔柱则是向上运动，如此才实现了地下物质的循环交换。“这是一个新认识到的地球运动规律。”杨经绥说，“而青松矿的形成与发现，恰恰反映了这个波澜壮阔的地质过程。”
铬铁矿中的金刚石
青松矿的发现，源于30年前的一个铬铁矿评价项目。
上世纪80年代初，正值壮年的方青松来到了西藏罗布莎铬铁矿区，这是当时正在进行的全国铬铁矿评价项目的重要一站。刚刚走出校门的杨经绥，也参加了项目。开展铬铁矿评价的同时，也需要对与铬铁矿伴生的有用元素予以评价，方法是把矿石磨碎，挑选其中的有用矿物。
透过显微镜，方青松在一堆黑色矿物中发现了一些亮晶晶的微粒，最大直径只有0.5毫米。分析鉴定结果令人激动，竟然是金刚石！
接到报告后，原地质部非常重视，马上立项，期待西藏在金刚石的找矿方面有所突破。结果是所有发现的金刚石粒度全部小于1毫米。人们只好把惊喜当作无足轻重的意外。在发表了两篇文章后，此事画上了一个不圆满的句号，也在年轻的杨经绥心里，画上了一个大大的问号。
上世纪八九十年代，当年参加项目的一批年轻人纷纷走出国门。杨经绥也前往加拿大留学，攻读博士学位。10年后的旧梦重提
10年很快过去了。1994年，杨经绥学成归国。
他请来当年在西藏共事的方青松、白文吉，旧梦重提。当年心愿未了，而今能前缘再续，即将退休的两位老科学家十分高兴。杨经绥用申请到的5万元回国基金，开始了新一轮的西藏蛇绿岩中深部地幔矿物的研究。
其时，该项研究面临的不仅仅是经费匮乏的问题，阻力还来自国内外同行的种种质疑。
反对者认为，这么微小的金刚石，像一粒灰尘一样，风一吹都能进来，也许它来自陨石，也许来自人工污染。总之，各种可能都有，就是不可能产在西藏的铬铁矿中。因为，经典的地质理论认为，金刚石是来自地底深处的超高压矿物，怎么可能存在于形成于地球浅部的铬铁矿中？
事实是，当时确实没有找到令人信服的证据。
杨经绥没有气馁。1999年，他申请到第一个自然基金项目《地幔超高压矿物及其形成环境和构造意义》资助，这是该项研究的一个重要转折点。之后几乎5年一个节点，2005年，杨经绥申请到与美国毛河光院士合作的自然基金重大国际合作项目；2010年，获得自然基金重点项目资助。又一个10年过去，局面终于打开。
期间，杨经绥率队于2005年去俄罗斯乌拉尔山考察。这里产有和西藏罗布莎一样的铬铁矿。他们从1吨多的铬铁矿中发现了千余颗金刚石！研究工作有了重大突破。
2006年，杨经绥将工作范围扩展到罗布莎全部三个矿区。在康金拉矿区，他们获得了和乌拉尔山一样的发现。通过对围岩地幔橄榄岩取样分析，发现了大量的深部矿物金刚石！
2007年，杨经绥等在美国《地质学》杂志，报道罗布莎铬铁矿中发现超高压矿物柯石英和锇铱矿中发现了微粒金刚石包裹体，研究认为其形成地下300公里深度。该文章引起国际同行的关注。同年，在斯坦福大学举办的罗布莎地幔矿物小型研讨会上，西藏的深部矿物一致获得与会国际权威的肯定。
“乌拉尔铬铁矿中金刚石的发现，不仅仅佐证了罗布莎的发现，并且表明大洋地幔橄榄岩中存在深部矿物可能是一个普遍规律。这个认识太重要了，因为这不仅仅意味着关于铬铁矿浅部成因的主流观点值得重新推敲，而且可能改变已有的蛇绿岩成因认识，尤其通过这项研究，可以探讨深部地幔物质组成及地幔运动规律。这将是一个全新的十分重要的研究方向。”杨经绥说。
之后的研究，证明了这个推测。近些年来，杨经绥团队一路向西，新疆、内蒙古、阿曼、土耳其、阿尔巴尼亚……他们的目标瞄准了世界各地的蛇绿岩带，并且在不同的造山带中不断发现了金刚石等深部矿物。
漫长的超高压矿物研究路
青松矿的发现，得益于柯石英的发现，因为它是柯石英中的包裹体。另一方面，也得益于现代的高新技术。首先用聚焦离子束将柯石英切割成50纳米厚的薄片，在透射电镜下发现并确定。实验是在德国完成的，该发现是杨经绥团队和美国、德国科学家合作的结果。
10多年间，杨经绥马不停蹄地四处做实验、在各种学术会上作报告，说服反对者，争取合作者。
2012年，美国斯坦福大学LouieLiou教授发表文章指出：“蛇绿岩铬铁矿中的发现超高压矿物打破了传统蛇绿岩铬铁矿形成于高温、低压的洋中脊或弧后扩张环境的传统观念的‘禁锢’。这些发现结合在其他蛇绿岩（如极乌拉尔）中相似的发现，唤起了在全球蛇绿岩铬铁矿中寻找超高压包裹体的兴趣。”国际超高压委员会主席La-rissaDobrzhinetskaya教授在2011年出版的《超高压研究25周年纪念专著》的前言中也指出：“新的发现提供了罗布莎铬铁矿超高压变质相的确凿证据，揭示了这些神秘矿物的成因……开启了大陆物质和方辉橄榄岩型地幔橄榄岩混合物残片的新的研究领域”。
最近，杨经绥团队联合了国际上10余个国家的专家及其研究团队，在大陆构造与动力学国家重点实验室的框架下成立了地幔研究中心。地幔研究中心计划开展全球不同地区、不同时代和不同构造背景产出的代表性蛇绿岩地幔橄榄岩和豆荚状铬铁矿的矿物学、地球化学和同位素等多学科的综合研究，旨在查明金刚石等超还原超高压矿物群和其他矿物在大洋岩石圈中的空间展布、赋存状态及其形成和保留过程，探讨地幔物质组成和深部地质作用及蛇绿岩中铬铁矿的形成深度和成因机制，并为国家的铬铁矿找矿服务。
杨经绥和他的团队在超高压矿物研究之路上大步前进。
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