【供稿：物理学院】日前，吉林大学物理学院物质模拟方法与软件教育部重点实验室马琰铭教授研究团队与曲阜师范大学刘晓兵教授、美国内华达大学陈长风教授等人在地球深部蓝钻形成机制研究中取得新进展，相关研究成果以“A Viable Mechanism to Form Boron-bearing Diamonds in Deep Earth”为题，于2023年06月12日在线发表于《科学通报》。
来自地球深部的天然金刚石是一种独特的珍贵矿物，由于其超深的形成区域和超高的稳定性，天然金刚石及其包裹体成为人们了解地球内部矿物和地质运动的重要途径之一。近期研究发现，目前存在的蓝色金刚石（IIb型金刚石）均形成于下地幔区域，在所有获得天然金刚石中的占比极小（≤0.02%），含约0.01-10 ppm硼杂质。蓝钻内部存在微量硼原子替代了金刚石晶格中的少量碳原子，产生的受子能级吸收近红外辐射和长波从而显现为蓝色。根据已知的地球化学模型，硼元素的富集区域集中于大陆和大洋地壳层，在地幔中较为匮乏。蓝钻的存在为地球下地幔环境中硼元素的存在提供了有力证据，然而其地质起源与循环机制是当前领域内亟待解决的科学难题之一。
本工作采用可随俯冲带进入地球深部的碳酸盐作为碳源，并根据硼在高压条件下高度亲铁的特性，选用金属硼化物作为硼源，利用第一性原理设计了一系列碳酸钙和金属硼化物形成金刚石和硼单质的潜在氧化还原反应（图1）。并进一步以CaCO₃和FeB作为反应前驱物，采用大腔体压机进行了高温高压实验。研究发现CaCO₃和FeB混合物在地球下地幔的温度与压力条件下（22.5 GPa和2,100 K），反应样品的多晶X射线衍射谱（图2(a)）中除了部分残余的反应物FeB外，还发现了Fe-O化合物以及金刚石特征峰（图2(b)），与理论模型提供的反应途径具有一致性。为排除残余反应物和其他产物的影响，研究使用高强酸将反应产物充分溶解，得到大量呈现出透明特征的不同粒径的晶体，在反射光照下显现为清澈的蓝色（图2(b)插图）。进一步单晶衍射解析发现其为晶格参数3.536(2) ?的立方金刚石结构（图2(b)）。该晶体除了具备1,332 cm^-1处金刚石特征峰外，646 cm^-1处的拉曼峰与天然金刚石中硼相关特征峰(647 cm^-1) 匹配良好，表明内部硼浓度约为10 ppm左右（图2(c)）。该工作为理解地球深部蓝钻形成机制提供了新思路。

图1. 20 GPa下产生硼单质和金刚石的反应焓。图形颜色表示反应焓数值。三角形、圆形、正方形、菱形、五边形和六边形标记分别代表产生Fe₃O₄、FeO、Fe₂O₃、TiO₂、TiO和Ti₂O₃的氧化还原反应。

图2. (a) 加热前（黑线）和加热后（红线）样品的X射线衍射图谱。蓝线、橙线、紫线和绿线分别表示FeB、CaCO₃、Fe₃O₄和Fe₂O₃的计算Bragg峰。X射线波长为0.71073 ?。(b) 经过酸蚀后合成产物的X射线衍射图谱，与金刚石的计算Bragg峰进行比较。 (c) 合成金刚石（红线）和天然含硼金刚石的光谱（蓝线）拉曼图谱对比。
该论文的第一作者为吉林大学物理学院刘思瑜博士、博士研究生陆文成以及曲阜师范大学博士研究生张晓冉。本文的通讯作者为吉林大学王彦超教授、马琰铭教授，曲阜师范大学刘晓兵教授和美国内华达大学陈长风教授。该工作得到了国家自然科学基金、吉林大学科学技术创新研究团队和交叉学科创新平台的资助。