雖然地質(zhì)學(xué)研究的大多數(shù)問題離大家的生活比較遠(yuǎn)，但是有一個(gè)東西大家肯定不陌生——鉆石。這次聯(lián)系科學(xué)人是因?yàn)樽罱黄P(guān)于鉆石形成機(jī)理的文章。我很高興地看到最近國內(nèi)有媒體報(bào)道了這件事情，但有些媒體似乎報(bào)道得根本就不對(duì)……所以我們請(qǐng)教了翰霍普金斯大學(xué)的地球和行星科學(xué)系讀地球化學(xué)博士迪米特里·斯維爾杰斯基（Dimitri Sverjensky）。 　　我們發(fā)現(xiàn)的是，在地幔中液體和地幔硅酸鹽巖石的作用時(shí)，在某些條件下，pH會(huì)降低，同時(shí)能隨之析出鉆石。而這個(gè)過程只帶來了流體的pH的改變，并沒有伴隨著氧化還原反應(yīng)。這客觀上降低了鉆石形成的難度，因此地幔里鉆石的含量也可能比之前想象的要多——然而就是這最后一句話，讓有的媒體起了一個(gè)類似《地球深部全是鉆石》這種姿態(tài)的標(biāo)題……這完！全！不！對(duì)！（關(guān)于那個(gè)“鉆石白菜價(jià)”的說明，請(qǐng)看《鉆石可能更容易形成，但這不會(huì)動(dòng)搖鉆石市場(chǎng)》）

　　因此我找上了科學(xué)人，讓他們正確解讀一下，我們最近的這項(xiàng)研究到底是在干啥。 　　事情是這樣的:科學(xué)界之前普遍認(rèn)為，鉆石只有通過氧化還原反應(yīng)才能形成。這是因?yàn)樵诘蒯５哪欠N高溫高壓的環(huán)境下，碳只能以二氧化碳或者甲烷的形式存在，而構(gòu)成鉆石的碳（0）與二氧化碳（+4）或者甲烷（-4）里的碳價(jià)態(tài)并不相同。這樣一來，這些物質(zhì)勢(shì)必要經(jīng)過氧化還原反應(yīng)才能形成鉆石。

　　針對(duì)這個(gè)問題，去年的時(shí)候我們?cè)?jīng)在一篇文章里證明了，其實(shí)在地幔的流體里，碳可以以別的形式存在——比如甲酸、乙酸或者丙酸。

　　好了說回研究。我們當(dāng)時(shí)就意識(shí)到，乙酸的碳價(jià)態(tài)和鉆石的碳是一樣的，而甲酸加丙酸的混合物也能生成零價(jià)碳。我和老板在討論那個(gè)結(jié)果時(shí)，自然而然地產(chǎn)生了這個(gè)問題：鉆石生成的條件，一定需要氧化還原反應(yīng)嗎？所以當(dāng)時(shí)我們提出了這樣的假設(shè)：這些甲乙丙酸里的碳會(huì)不會(huì)也能形成鉆石？我們就把這個(gè)假設(shè)寫在了那篇論文里。

　　現(xiàn)在我們證明了，那個(gè)假設(shè)極有可能是對(duì)的。

　　這個(gè)事請(qǐng)說起來并不難： 　　1份甲酸根、1份氫離子和1份氫氣生成1份鉆石和2份水；
　　1份丙酸根、1份氫離子生成3份鉆石、一份氫氣和2份水。
　　你把兩個(gè)式子加起來，就得到：
　　1份甲酸根、1份丙酸根、2份氫離子可以生成4份鉆石和4份水。

　　也就是說，鉆石的形成可能不需要外部的氧化或者還原劑的參與。它的重要性在于，單獨(dú)的甲烷或者二氧化碳在自然條件下很難生成鉆石，必須需要外部的氧化或者還原劑。但是我們的模型顯示，含碳物質(zhì)自身就能生成鉆石，這大大降低了鉆石形成的難度，不需要那么苛刻的條件。

　　這個(gè)結(jié)果幾乎顛覆了之前對(duì)于鉆石形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)，在我們領(lǐng)域算是個(gè)小突破吧。 　　好了，那我們是怎么得到這個(gè)結(jié)果的呢？

　　我們先是建立了一個(gè)水巖交換的模型。上面提到，地幔里是可能存在甲乙丙酸的。于是我們?cè)O(shè)置了一份初始溶液，其中包含這些含碳有機(jī)物，比如乙酸。然后把溫度和壓強(qiáng)設(shè)定成和上地幔類似的條件。接下來我需要不斷地調(diào)試各種參數(shù)，讓模型跑出各種可能的結(jié)果——嗯，這個(gè)過程俗稱”搬磚”，如果你也在讀博士，你一定能理解……參數(shù)也不是瞎調(diào)的，我們模型中巖石的組成是從別人文獻(xiàn)里的數(shù)據(jù)里取的，加入了活度系數(shù)模型，為了讓我們的模型更接近自然樣品。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水和巖石反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)候，還真能生成鉆石。

　　如果你多看上面的公式兩眼，你也許會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)反應(yīng)是需要?dú)潆x子的。這些氫離子來自高溫高壓下水的電離——那個(gè)條件下，因?yàn)樗婋x的平衡常數(shù)發(fā)生了改變，“中性水”的酸堿度在2-3之間。我們發(fā)現(xiàn)，地幔中液體和硅酸鹽巖石相互作用時(shí)，導(dǎo)致H+累積而造成pH降低。而隨著pH的降低，鉆石也隨之從液體中析出。
　　那怎么檢驗(yàn)這個(gè)模型是否正確呢？我們把模型里的生成物和別人測(cè)量的自然樣品進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)不同物質(zhì)的含量在統(tǒng)計(jì)學(xué)上是一致的。這些自然樣品來自于鉆石在生成過程中包裹的一些的溶液和礦物。

　　參考文獻(xiàn)：
　　Sverjensky DA, Huang F (2015) Diamond Formation due to a pH drop during fluid-rock interactions. Nature Communications 6:8702
　　Sverjensky DA, Stagno V, Huang F (2014) Organic carbon species in subduction–zone fluids and implications for the deep carbon cycle. Nature Geoscience 7:909–913