國際地質新動態

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徐慧,編譯.朱建東,校.

金剛石可揭示大陸板塊穩定性之謎

大陸板塊的長期穩定性對于地球生物的形成和演化至關重要。然而，面對著地球歷史上一系列極具破壞性的構造運動，大陸板塊如何保持穩定性，這已成為當前地球科學研究的熱點之一。

一支由美國卡內基大學和加拿大阿爾伯塔大學科學家們組成的科研團隊認為，大陸板塊的穩定性與其深部附著的地幔物質密切相關。該科研團隊發現，金剛石可揭示出板塊深部的地幔物質在上涌過程中，如何變得稠密，從而保障了其上部大陸板塊的穩定性。

科學家們發現，古火山機構中的硫同位素是一種極好的失蹤元素。硫同位素從進入地幔后到最終進入金剛石，反映了大陸板塊形成演化中整個過程。團隊成員卡倫·施密特(Karen Smit)認為，西非大陸板塊的形成與大洋板塊俯沖到地幔中的板塊構造運動有關。

金剛石歷來為全球珠寶商所珍愛，但同時也是地質學家最好的朋友，因為金剛石中隱藏著許多地球深部的信息。內部包裹著微小礦物顆粒的金剛石在寶石市場上并不受歡迎，但在地質科學界卻廣受追捧，因為這些微小的礦物顆粒隱藏著礦物形成時的地球物理條件和地球化學環境等豐富的信息。事實上，金剛石在整個過程中，充當了地球深部信息來源的“使者”。

在地表往下150～200 km(約93～124英里)的深處，地幔物質起到了其上部大陸板塊穩固的龍骨作用。組成地幔的一定是一種稠密的、穩固的且溫度較低的物質，從而可以為上部的大陸板塊形成堅實的基底，以抵抗未曾間斷的地球構造運動的破壞作用。然而，關于整個過程是如何形成的，科學界一直爭論不休。

解決上述關鍵問題才能揭示大陸板塊形成演化并保存至今的奧秘。因此，深刻理解大陸板塊的形成機制是揭示地球宜居之謎的關鍵一步。

一些科學家認為，稠密的地幔龍骨物質形成于消減作用。他們認為，大洋板塊俯沖到大陸板塊之下的深部，從而形成稠密的地幔龍骨。另一些則認為，這些稠密的物質來源于地幔更深部位的熾熱巖漿的垂直上涌作用。

如果能夠確定地幔龍骨物質究竟來源于地表板塊的俯沖，還是更深層地幔物質的上涌，或許能平息這場學術爭論。幸運的是，地幔龍骨物質形成時的所有信息，都被保存于金剛石中的礦物包裹體忠實地記錄了下來。

科研團隊在非洲塞拉利昂的一座金剛石礦進行了采樣，對其中的硫化物包裹體開展硫同位素分析，結果顯示該地區板塊在形成過程中至少經歷了兩次板塊俯沖消減作用。

該科研團隊對實驗結果表示出充分的信心。實驗分析顯示，這些硫元素進入金剛石晶體發生于25億年前，而那時地球大氣層中的氧分子含量非常低。他們堅信，這些硫元素一定來自于當時的地球表面，后期通過板塊俯沖消減作用進入了深部地幔中。

科研團隊對從非洲博茨瓦納獲取的金剛石樣本進行分析后，也得到了類似的結果，即西非大陸板塊之下的地幔龍骨物質的確來自于板塊俯沖消減作用。

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10286-x

汪洋,編譯.朱建東,校.

寒武紀生命大爆發可能由板塊運動導致

在距今約5.41億—4.85億年前的寒武紀，地球生物多樣性和復雜性出現了爆炸式增長，絕大多數動物門類在這一時期出現。寒武紀生命大爆發被認為是由新元古代850—541 Ma之間的氧合事件所引發。雖然大量的地球化學證據表明寒武紀之前數億年中海洋氧含量多次上升，間接表明當時大氣氧含量也上升了，但此前缺乏對當時大氣氧含量變化的定量分析。

英國埃克塞特大學全球系統研究所的Joshua J. Williams研究團隊提出，5億多年前劇烈的地殼板塊運動導致地球大氣氧含量上升，為大型復雜生物的出現打下基礎，這可能是寒武紀生命大爆發的主要原因。這項最新研究成果發表于2019年6月19日英國的《自然·通訊》雜志上。研究認為，在新元古代和古生代之間的埃迪卡拉紀，大氣氧含量上升是由于地殼板塊頻繁碰撞，火山活動劇烈，導致大量二氧化碳從地幔進入大氣。再加上巖石風化加劇析出了更多磷等營養元素，導致生物光合作用增強，有機碳的生產和埋藏速率都極大地提高，使得大氣氧含量持續增加。研究人員利用一個生物地球化學模型分析認為，在6.35億—5.41億年前的埃迪卡拉紀，大氣氧含量表現出長期上升趨勢，總共增加了50%，達到現代大氣水平(PAL)的約25%。該數據與寒武紀生命大爆發期間，大型移動食肉動物氧分壓>0.1～0.25 PAL的需求大致一致。

https://www.nature.com/articles/s41561-019-0434-3

汪洋,編譯.朱建東,校.

新元古代碳同位素負偏事件的動力學機制得以揭示

新元古代見證了一系列的生物創新，埃迪卡拉紀—寒武紀的輻射事件中，動物身體形態和行為方式的分異到達了頂峰。有趣的是，這個時期全球碳循環也發生了劇烈擾動，主要表現在氣候和碳同位素的極端波動。長期以來新元古代同位素記錄遭到挑戰，這是因為海水中持續12C的富集 (低δ13C值)似乎意味著，實際上是有更多的氧氣由于有機碳氧化作用而被消耗掉。此前，這些剩余的有機碳氧化作用并未得到認可。針對這一問題，科學家們開展了研究。

來自英國倫敦大學學院地球科學系的Graham A. Shields等研究人員發現，大約5.7億年前，地球上的主要大陸拼合成一個岡瓦納超級大陸，超級大陸內部形成中央造山帶，劇烈的地質運動將地表的大量蒸發巖通過化學風化作用帶入海洋，由蒸發巖帶入海水中的硫酸鹽與海水中的微生物和有機質反應，蒸發巖溶解和黃鐵礦埋藏耦合作用使海洋含氧量增高，海水中的氧氣又通過氣體交換進入大氣，致使當時海洋和大氣含氧量都迅速增高，從而解釋了δ13C發生負漂移時碳循環和氧循環可以保持動態平衡。

研究人員提出的這一框架特別適用于埃迪卡拉紀晚期的Shuram碳同位素負偏事件，該同位素漂移恰好發生在埃迪卡拉紀—寒武紀過渡時期充滿活力的后生動物新陳代謝形成之前。該項科研成果發表于2019年9月《自然》雜志，研究人員證明了非穩態硫酸鹽動力學導致新元古代氣候變化、海洋幕式氧化事件和喜氧生物的機會輻射。

https://science.sciencemag.org/content/365/6454/692

汪洋,編譯.朱建東,校.

地幔過渡帶的氦同位素特征揭開
早期地球演化的神秘面紗

在20世紀80年代，地球化學家注意到，在某些特定位置的玄武巖熔巖中，3He/4He高于預期，這與在墜落地球的極古老隕石中發現的同位素比值相符。這表明這些熔巖攜帶的物質來自地球深處的某種儲集層，其成分在過去40億年里并沒有發生顯著變化。

長期以來，科學家一直懷疑，在地殼和地核間的地幔中存在著一個巨大的巖石儲藏庫，其自地球形成以來，相對沒有受到干擾。但到目前為止，還沒有確鑿的證據證明它是否存在或存在于何處。玄武巖的同位素組成提供了有關地球內部化學儲層的信息，在確定地球結構模型方面起著關鍵作用。然而，幾百公里深處的地幔氦同位素特征卻很難直接測量，這些信息是了解噴發玄武巖中氦同位素的重要基礎。

近期，一個國際科學家小組測量了由火山爆發帶到地表的超深鉆石中所含的氦同位素，以探測這個古老儲存庫的蹤跡。這項成果于2019年8月16日發表在《科學》雜志上，并于8月23日在西班牙巴塞羅那舉行的戈德施密特會議上進行了發布。S. Timmerman研究團隊從巴西捷那23顆超深鉆石的流體包裹體中提取了氦元素，從金剛石形成的地球物理、地球化學性質來看，它們形成于地球表面以下410～660 km的過渡帶。由于玄武巖的熔體在上升過程中會發生變化，且在地表附近會脫氣，而金剛石中包含氦元素的包裹體在上升過程中被保存下來，不受脫氣(失去大部分氦)和地殼污染等因素影響，從而能作為研究深部地質的直接對象。

研究人員通過測量超深金剛石流體包裹體中He-Sr-Pb同位素比值，發現具有高3He/4He比值的極端He-C-Pb-Sr同位素變異，與更高的氦濃度有關。這表明低脫氣、高3He/4He的深地幔源滲入過渡區與再循環物質相互作用，產生了洋中島玄武巖中記錄的多種成分。這項研究成果是認識從地球起源之時保存到現在的儲集層的重要一步，為進一步研究指明了方向。

https://www.pnas.org/content/116/39/19342

汪洋,編譯.朱建東,校.

記錄新生代第一天的巖石為恐龍滅絕假說增添新證據

國際海洋發現計劃(IODP)—國際大陸科學鉆探計劃(ICDP)探險隊在墨西哥尤卡坦島希克蘇魯伯峰地區(注：希克蘇魯伯撞擊坑因6500萬年前小行星撞擊地球產生，導致了全球恐龍集體大滅絕)的最新鉆孔M0077發現了高精度白堊系-古近系(K-Pg)界限剖面，這為我們提供了一個了解小行星撞擊地球直接后果的前所未有的窗口。鉆孔鉆遇了在新生代的第一天沉積的約130 m厚的撞擊熔融巖石和沖擊凝灰角礫巖，以及在隨后幾周—幾年中沉積的厚度<1 m的富含微晶的碳酸鹽巖上覆地層。

根據美國得克薩斯大學奧斯汀分校研究團對這些巖芯的分析，科學家們揭示了地球進入新生代的第一天所發生的一系列事件。在撞擊后的幾分鐘內，中央隆起的基底巖石向外崩塌，形成了一個被熔融巖石覆蓋的環形山峰。在幾十分鐘內，這個峰環就被40 m厚的角礫化沖擊熔融巖石和粗粒沖擊凝灰角礫巖覆蓋了，其中夾雜可能是在海洋復蘇期間融水相互作用產生的碎屑巖層。在1 h內，峰環頂部再次沉積了10 m厚的沖擊凝灰角礫巖，這些巖石顆粒分選和磨圓都相對較好。在幾個小時內，通過沉積和波浪作用在被洪水淹沒的隕石坑口形成了一個80 m厚的向上變細、分選變好的沖擊凝灰角礫巖。在一天之內，隕石坑口沉積了海嘯回流帶來的一套具有交錯層理的砂礫巖層，其中富含多環芳烴等生物標志物，其上覆蓋著的木炭碎片表明撞擊引發了野火。研究人員還發現隕坑周圍的巖石都富含硫，但隕坑中的巖石卻不含硫，這表明小行星撞擊時將含硫物質氣化。研究人員估算出，那次巨大的撞擊至少將3 250億t硫釋放到了大氣中，導致全球平均溫度大幅降低，并持續了幾十年之久。

這一研究成果發表在2019年9月的美國《國家科學院學報》上，為小行星撞擊地球導致恐龍滅絕的假說增添新證據。“行星撞擊說”認為，6500萬年前，一顆小行星撞擊了地球，撞入墨西哥尤卡坦半島，并在希克蘇魯伯鎮附近形成一個寬約160 km、深約20 km隕石坑。撞擊導致了地球上約75%的動植物滅絕。行星撞擊引發了森林大火和海嘯，并將硫噴射到大氣中，遮蔽了陽光，植物光合作用停止，從而導致了全球變冷，最終使恐龍滅絕。

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徐慧,編譯.朱建東,校.

美國2018年天然氣消費90%來自于國內

天然氣是美國的主要能源之一。2018年，美國消費的天然氣90%以上產自于美國國內。據美國能源信息署(EIA)發布的美國天然氣流量圖，直觀地表達出美國天然氣供應(生產、進口和從存量中提取)和處置(消費、出口和添加到存量中)的要素。

自2000年以來，美國天然氣產量和消費量總體上都有所增長，而2018年干氣(或消費級)天然氣產量和消費量均達到約30萬億立方英尺(約合8 495億m3)的創紀錄新高。2017年和2018年，年干氣產量自1966年以來首次超過消費量。

在過去的10年中，由于水平鉆井和水力壓裂技術的廣泛應用，生產商能夠更經濟地從頁巖巖層開采天然氣，美國天然氣產量迅猛增加，實現了“頁巖氣革命”。目前，頁巖氣在美國天然氣總產量中所占的比例，已超越傳統天然氣井和作為伴生氣的原油井。此外，還有一小部分天然氣產自于煤層，稱為煤層氣。

2018年，美國從井口開采的天然氣和其他化合物的總采出量達到37萬億立方英尺(約合10 477億m3)，其中一半以上來自頁巖氣井。市場銷售的天然氣產量(不包括用于油井減壓的天然氣、排放的和燃燒的天然氣，以及任何非碳氫化合物氣體)接近33萬億立方英尺(約合9 344億m3)。美國銷售的天然氣進一步加工成30萬億立方英尺的干天然氣和2萬億立方英尺的液化天然氣。

隨著美國天然氣產量的增加，其出口量也在增長并超越了進口量。2017年，美國成為天然氣凈出口國。2018年，美國出口天然氣達4萬億立方英尺(約合1 132億m3)，而天然氣的進口為3萬億立方英尺(約合850億m3)。美國天然氣出口主要通過油氣管道向墨西哥和加拿大輸送，同時也有一部分制成液化天然氣后，通過海輪向其他國家運輸。

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徐慧,編譯.朱建東,校.

美國的人工合成鉆石產業

作為全球天然寶石級金剛石的主要生產國，南非、博茨瓦納、澳大利亞等國家卻并不是這些珍貴寶石的主要消費國。全球寶石級金剛石的主要消費國(地區)依次為：美國、印度、中國、歐盟、日本、香港以及中東地區。其中，美國的消費量超過全球寶石級金剛石消費總量的40%，上述另外幾個國家和地區的消費總量占據了另外的40%。這些國家和地區并不是天然寶石級金剛石的主要生產國。

據美國地調局透露，美國目前通過實驗室人工合成的寶石級金剛石市值約0.524億美元。美國以外的其他一些國家也在籌劃或正在進行寶石級金剛石的人工合成。其中，大部分的合成鉆石已進入全球寶石市場。當然，在同等大小和品質的前提下，這些合成鉆石的價值往往較天然鉆石便宜約25%左右。

鑒定和區分鉆石究竟是天然形成還是人工合成，在技術上的難度較大，在經濟上往往也極為昂貴。合成鉆石向全球寶石市場的滲入，使得珠寶商和消費者都產生了疑問：我的鉆石是天然的還是合成的？

大部分的消費者依然傾向于購買天然鉆石，因為合成鉆石的尺寸往往較小。然而，相同的化學性質和物理特性，普通人憑肉眼難以區分，再加上較低的價格，往往使得合成鉆石在特定人群中仍然有較大的市場。

關于合成鉆石的生產，技術人員在2 300 ℃、15萬～18萬個大氣壓的高溫高壓環境下，在儀器中心放一顆很小的天然鉆石作為籽晶，在籽晶周圍是高溫高壓金屬液體，其上方是石墨，石墨中的碳原子會通過金屬原子進入天然鉆石，從而形成新的鉆石。因此，人造鉆石是一種鉆石結晶聚合而成的多結晶鉆石。同時，人造鉆石的碳原子結構并不是天然鉆石的完全八面體結構，而是一種復雜結構，從而會產生磷光現象。因此，人造鉆石證書上應清楚注明，該鉆石是人造鉆石還是天然鉆石，以保護消費者利益。

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徐慧,編譯.朱建東,校.

全球最大鉆石礦山即將停產

位于西澳大利亞州首府佩斯市東北方向2 600 km(1600英里)的阿爾蓋爾礦山(Argyle)是全球最大的鉆石礦，因盛產粉鉆和紅寶石而聞名于世。國際礦業巨頭力拓集團(Rio Tinto Group)近日宣布，在運營近40年后，該公司旗下的這座著名鉆石礦將于明年底前關閉。

國際鉆石市場價格變化圖(2008—2019)

力拓集團銅與鉆石部負責人阿諾德·蘇雷特(Arnaud Soirat)表示， 2020年底前，力拓將停止運營這座礦山，并將開展生態環境修復工程。

阿爾蓋爾礦山鉆石產量位于全球之首，每年產出約1 400萬克拉鉆石，占全球總產量的2/3。其最出名之處在于，全球約90%的粉鉆均產自這里，其中包括那枚2017年在蘇富比拍賣行拍出0.71億美元的59.6克拉“粉鉆之星”。然而，粉鉆僅占該礦山鉆石總產量的不到0.01%，其產量的3/4以上由價值較低的褐色鉆石組成，平均售價每克拉15～25美元，遠遠低于國際市場鉆石的平均價格——每克拉171美元。

產于阿爾蓋爾礦山的大量廉價和小型鉆石蜂擁進入國際寶石市場，造成了全球鉆石商品過剩，侵蝕了幾乎每一家礦商的利潤，并使該行業的切割商、拋光商和貿易商越來越難以盈利。2018年12月，力拓的一些客戶拒絕購買更便宜的鉆石，而著名珠寶商戴比爾斯(De Beers)則被迫降低價格，向買家讓步。

正因為如此，阿爾蓋爾礦山的關閉被很多競爭對手認為是一件好事，有助于國際鉆石市場的價格回升和穩定。

然而，據業內人士透露，阿爾蓋爾礦山于2018年完成了最新一輪的儲量評估，其鉆石儲量和資源估值發生了巨大變化，礦石儲量由預期的0.29億t降到了0.16億t，剩余儲量最多支撐開采運營到2020年年底。或許這才是導致礦山關閉的真正原因。

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徐慧,編譯.朱建東,校.

南方銅業數十億美元銅礦項目在秘魯遭遇強烈抵制

總部位于墨西哥城的南方銅業公司(Southern Copper Corp)是全球銅礦第五大生產商，然而，其投資14億美元的Tia Maria銅礦工程再次受到當地社區的強烈抵制。

據悉，Tia Maria銅礦位于秘魯南部地區阿雷基帕大區(Arequipa)，已獲得了秘魯政府頒發的20年采礦許可權。該礦山是全球最大的未開發銅礦之一，礦石量為6.41億t，銅品位0.39%，預計投產后可形成12萬t/年銅精礦的產能。

然而，Tia Maria銅礦山的基建卻遲遲難以開工。當地時間7月15日，社區的反對者們封鎖了沿海主要高速公路，造成了一定程度的交通混亂，影響了正常貨運車輛的通行。此前該項目的反對者就曾表示，將進行無限期的抗議活動，直到礦山許可證被吊銷為止。當地社區認為，銅礦山項目會干擾當地農業生產，且礦山位于Tambo河谷上方2 km處，如果出現暴雨則有可能發生滲漏或徑流污染的風險。雖然南方銅業已經計劃要建造一座海水淡化廠，社區仍然持反對態度，他們認為海水處理的高鹽尾渣同樣也會影響周邊農業生產。在2011年和2015年當地爆發了兩次大規模抗議活動，至少導致6人喪生。

南方銅業表示，公司已著手投資和興建當地社區的醫院及衛生服務系統，以惠及當地居民。南方銅業同時也坦言，如果不能和當地社區達成一致，就無法開始礦區的基礎建設工程。

多年來，社區問題一致困擾著秘魯礦業開發。2018年12月，秘魯北部卡哈馬卡省的公民選舉支持礦業投資的候選人梅西亞斯·格瓦拉(Mesias Guevara)，結束了過去8年來統治該地區的反采礦運動。卡哈馬卡地區擁有五大銅礦項目，均因社區問題而擱置。由于該地區曾是秘魯反礦活動的重要省份，這次改選對于秘魯礦業社區環境的改善有著風向標的作用。

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徐慧,編譯.朱建東,校.

法屬圭亞那發現高品位金礦，重聯黃金公司股價飆升

總部位于加拿大的重聯黃金公司(Reunion Gold)近日宣布，該公司旗下位于法屬圭亞那北部地區的圣·米歇爾(Saint-Michel)金礦鉆探工程發現厚大的高品位金礦體。

圣·米歇爾金礦賦存于圭亞那地盾中，該地盾是南美亞馬遜克拉通的重要組成部分。最新的金礦鉆孔數據顯示，鉆孔中260 m巖心進行化學分析，其中有42個巖心樣見礦，見礦厚度累計達95 m，金平均品位高達17.3 g/t，最高值為45.9 g/t。

重聯黃金公司稱，從當前鉆孔情況看，這些高品位金礦體的發現是未曾預料到的，也是在圭亞那地盾中頭一次見到。下步工作中，該公司將對地盾開展系統勘查工作，對整個地質體金的賦存情況作出整體評估。

全球最大黃金生產商巴瑞克黃金公司(Barrick Gold)宣布，針對圭亞那地盾的金礦勘探與開發，該公司將與重聯黃金公司簽署戰略合作協議，共同投資地盾中勘探區和未勘探區的勘探和開發工作。

據悉，重聯黃金公司宣布金礦最新發現的當天，其股票飆升12%，成交量超過平日的三位。當前每股售價為116加元。

圭亞那地盾位于南美洲圭亞那、法屬圭亞那和蘇里南三國接壤地段，已逐漸成為國際大型礦業公司未來的主要勘探目的地。據初步估算，圭亞那地盾蘊藏有超過1億盎司(約合2 835 t)黃金資源量，是世界上公認的重要的黃金產區。根據大陸板塊漂移學說，圭亞那地盾與大西洋東岸的西非有地質上的連續性，該地盾是金礦成礦遠景區，成礦地質條件優越，而勘探程度相對比較低。