专家走进造岩矿物学课堂

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2021-05-17

程哲整理

专家信息：

刘金高

中国地质大学（北京）教授

博士生导师

研究方向：

放射性同位素地球化学、地球岩石圈地幔的形成与演化

教育经历：

于2006年毕业于中国科学技术大学，获得地球化学学士学位；于2011年毕业于美国马里兰大学，获得地球化学博士学位；

分别在2012、2016年美国马里兰大学和加拿大阿尔伯塔大学攻读天体化学和地球化学博士后。

研究项目：

地幔再循环碳的金属同位素示踪、加拿大北极地区金伯利岩地幔包体研究

孙老师：

我们今天进行专家进课堂“三深”系列的最后一个嘉宾。他是中国地质大学(北京)的刘金高教授。他的主要研究方向是放射性同位素地球化学、地球岩石圈地幔的形成与演化。刘教授现在正在加拿大阿尔伯塔大学访问，所以他跟我们是有一定时差的，那边现在应该是周日晚上的十点半。刘教授在深地项目里面呢，是真正做到了地球深部，一直是研究岩石圈地幔的。我们知道地球分为地壳、地幔、地核。那么岩石圈地幔也是一个非常深的尺度。在岩石圈地幔里面最吸引我们普通大众的目光是什么呢？因为那里面有金刚石，金刚石在宝石学上面叫做钻石，所以他也有一个名字叫做“情定钻石的人”。那我们今天隆重邀请刘教授。

刘老师，您好！

刘老师：

孙晶老师好！各位同学好！

孙老师：

好的，那刘老师现在跟我们有些时差，非常抱歉我们打扰到了您的生活。因为大家都听说您是做钻石方向的，所以大家对这个方向特别好奇，然后问问题也特别积极活跃。我们今天先把时间交给同学们，看看他们有什么问题。

同学：

您好，刘老师！就是我了解到这个不是所有的金伯利岩里面都含有金刚石。那如果我们去判断金伯利岩里面有金刚石的话，可以有那些手段、方法？

刘老师：

这是一个非常好的问题。就是我们知道金伯利岩是来自于地幔深部的岩浆岩，然后贯穿了岩石圈地幔，然后把这些来自岩石圈地幔的样品带到地表。至于它有没有带金刚石上来，我们知道金刚石的形成需要一个高压的环境，也就是说在岩石圈底下，150km以下的地方才会有金刚石。然后呢，我们知道不同的矿物在不同的压力下，成分是不一样的。所以这些金刚石公司在进行大规模开采之前，就要对这些矿物进行分析。然后有个经验值大概这些矿物来自于多高的压力。如果它的压力与金刚石的“Window”，我们讲金刚石形成的窗口是吻合的，那么他们就会大规模的进行开采，然后找到金刚石。如果没有这个“Window”呢，也就是说金伯利岩主要提取的是更浅部的岩石圈地幔的样品的话，那它很可能金刚石的样品就很少。所以大概是通过这些矿物。哪至于有哪些矿物呢？一般来讲，比如说石榴子石或者是用“Ilmenite”，叫钛铁矿、还有这个透辉石。比如说石榴子石的话，它在不同的压力情况下形成的CaO和Cr₂O₃的含量是不一样的。如果落在一个他们规定的“G-ten”组成范围之内，它就很有可能来自于有金刚石窗口的区域，就有很大的潜力来做金刚石的碳化，大概是这样的。

同学：

老师讲的很深入浅出，以我的知识水平也能大概听明白一些东西，老师我还有一个问题，就是金伯利岩是不是全身都是宝，因为它有其他的矿物，比如说钛铁矿、金云母之类的，这些矿物是不是同样也具有一些研究价值和很高的工业价值？甚至于说可能金刚石都不一定是金伯利岩里面最具价值的矿物。只是我们一些外行被这种钻石的名气吸引、打动，觉得金刚石就是最重要的，老师是这样的吗？

刘老师：

很好的问题啊，你对金刚石了解比较透彻，一般来讲，在科学家眼里面，所有的矿物都是宝。因为每一个矿物它能够携带的地幔的信息都是不一样的，所以对于科研价值来讲，那全身确实都是宝。可是对于工业价值来讲，因为金刚石公司要去这些金伯利岩的地方，一般像加拿大的话都去特别偏远的地区，像北极地区那些。所以他们最重要的是要获得利润。一般其他的这些矿物呢，比如说石榴子石也好，钛铁矿也好，或者你说的金云母也好，这些矿物工业价值是非常非常低的，因为它不足以来支撑着比较贵重的开采工作，所以对于他们来讲，金刚石是他们唯一的一个选择。我们也知道其他的，比如说碱性玄武岩，也可以把地幔的矿物带上来，比如说橄榄石这些东西。因为它没有多少工业开采价值，所以你也很少知道在很古老的碱性玄武岩就很少被报道。因为没有人去做这方面的开采工作，所以我还是要说科研价值都是宝，但是呢，工业价值目前来讲只有金刚石了。可以吗？

同学：

好的，谢谢老师。非常感谢老师。

孙老师：

那如果没有问题我问一个来自于网友的问题。因为上一周呢，刘老师有一篇文章被《Nature》杂志发表了。然后就是火爆朋友圈，因为在我们这个行业里面，其实岩石圈地幔里面就是说提出一个新的“model”是一个很难的事情，所以网友就向刘老师请教，您写这篇“Nature”是花了多长的时间，然后录取的时候这个心情又是怎样的？

刘老师：

谢谢，谢谢这个问题。其实我，可能你们很多学生都读过我前面写的一个浅谈，你们有没有读过？

孙老师：

他们可能没有看到，因为那个是在研究生里面议论的程度比较高。

刘老师：

那什么时候，你再跟同学们分享一下。那么今天再跟同学们分享一下，我的心路历程。是这样的，这个时间跨度是非常长的。首先对于样品来讲，因为岩石圈地幔，我们现在研究的这个区域的历史是非常非常长的，有几十亿年，大概可以到25亿年、30亿年。然后金伯利岩是什么时候把这个样品带上来的，大概是几千万年-6亿年前的样子。然后后来金刚石公司打算来进行开采，然后拿到这个样品。我们拿到这个样品之后呢，分析跨度前前后后有20年的历史。然后我们对科学问题的酝酿，到数据的完善又花了两年的时间。写作又花了半年的时间，然后审稿到录用呢，又花了一年的时间。所以你可以看看，这个过程是非常长的。所以我论文呢，在我们这种快节奏的时代里面呢，有的时候慢一些呢，会收到不错的效果。或者我们常说的慢工出细活。当然，当这个文章被接收的时候，我自己的话确实有一种浴火重生之感，感觉之前所有的付出都得到了回报，都值得了。大概是这样一个过程。希望你们之后呢，再去看看我写的那个浅谈，或许有一些新的体会。谢谢！

孙老师：

好的好的。那还有一个问题是来自于网友的，他说刘老师经常会参加很多国际学术会议，他觉得这个事情特别有意思。他就想知道参加这些国际学术会议对您提高自身的科研造诣有哪些帮助？怎么去往这个方向进行努力？

刘老师：

这也是非常好的问题。我们知道，参加国际会议的话，我个人认为有几个好处。首先，国际会议是一个学术盛宴，一个能够较完整的知道国际前沿的这个领域是什么样子，同时让自己去思考，自己应该往那些前沿科学问题进行努力。另外，当然国际会议也是一个非常好的学术交流的机会。是一次能够与文章中那些，你知道我们看文章都会遇到一些大牛对吧。去参加学术会议你就有机会跟他们面对面的交流和接触。同时也可以建立自己的“Social Networking”，叫做学术社交网络，让别人知道你自己在做什么工作啊，同时你也知道别人在做什么工作。或许将来呢他会审你的稿子，或者你们将来可能有合作的机会。这些都是参加国际会议的非常好的几个方面吧。另外呢，如何来参加国际会议呢，比如说，你们跟着优秀的孙晶老师啊，如果你们做出来一些有意思的成果的话，那在论文发表之前呢，你就可以写出一些摘要啊，投到国际会议上去，比如说地球化学通常的“Goldschmidt会议”，叫“戈尔德施密特国际会议”。你就有机会去参加这个会议了。一回生二回熟吗，大家都这样。这就是我要说的，你们孙晶老师，她也是做地幔相关研究的，跟我的研究是非常相似的，也是有很大前途的。如果感兴趣的话呢，你可以孙老师进行做研究，说不定有一天你们也可以研究钻石啊，或者跟钻石相关的工作。大概是这样的。

孙老师：

谢谢，谢谢刘老师。然后我看到今天的聊天框里有一个问题，这个同学他的麦开不开了，他想问，老师您刚才说到金伯利岩中每种矿物都有研究价值，他想知道钻石跟地幔研究有什么奇妙的关联呢？

刘老师：

这也是非常好的问题，而且我觉得这个问题非常有代表性。一般我们都知道钻石可能是“珠宝之王”。但是并不知道钻石跟地幔到底有什么样的关系。一般来讲，钻石有好几种成因，或者说金刚石有好几种成因。比如说撞击成因啊，俯冲折返成因等等。因为它需要一个高压环境吗。但是钻石作为宝石，绝大部分都是来自于岩石圈地幔的，因为岩石圈地幔提供一个长期稳定的高压，并且低温的这样环境，有利于金刚石成矿。那么科学家怎么通过金刚石或者钻石来做研究呢。首先，科学家研究的绝大部分钻石都是质量非常非常差的，都是没有工业价值的，要不然钻石公司也不会把钻石样品给我们进行做研究。我们知道金刚石本身是由碳组成的，也会有一些氮，还有一些微量元素。那我们可以通过研究这些元素和同位素呢，和它所属的同位素，比如碳同位素，氮同位素以及微量元素，就能反映钻石是怎么形成的。从而反映这是在怎么样的一个地幔环境与地幔动力学过程，这是研究钻石本身。另外呢，钻石还有一个非常大的功能，就是它能够携带很多地幔的包裹体矿物，你要通过研究这些包裹体矿物，因为我们知道地幔矿物上来是非常难的，刚才前面讲到会有一些地幔的矿物比如说“Garnet”石榴子石啊，或者是钛铁矿，或者其他矿物，但是它到地表以后呢，风化非常严重。如果这些矿物被包裹在金刚石里面，那金刚石相当于一个时间胶囊一样，当金刚石形成的时候把这些矿物锁在里面，到地表以后不会有任何的变质作用，那我们就可以通过这些完好无损的地幔矿物、包裹体矿物，能够研究出地幔深部的物质组成，以及相关的地幔演化信息，所以大概是通过这两个方面。一个是通过金刚石本身，另外一方面是研究金刚石所包含的这个矿物包裹体矿物。从而来研究钻石跟地幔的关系啊，一个地幔深部的过程。大概是这样的。

孙老师：

嗯，好的，谢谢，刘老师！