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“深地、深海、深空、深蓝”是代表科技发展前沿和我国战略发展方向的重要领域。其中，“深地”和“深空”是地球和行星科学研究的重点领域，是解决地球科学重大基础理论问题、探索太阳系演化历史等科学问题，以及保障国家能源资源安全、拓展人类生存空间、保障人类社会可持续发展的重要领域（欧阳自远等，2002; Wilson et al.，2004; 李三忠等，2010; 郑永春等，2011; 郑永春和欧阳自远，2014; 杨经绥等，2021）。目前，人类关于地球内部信息的大部分知识，主要是通过地球物理观测、高温高压实验和模拟计算等途径获得的，但这些手段都属于间接手段，受到极端假设和有限推断的影响，结论存在较多的不确定性（Alvaro et al.，2022）。源自地幔深部的金刚石是在高温高压条件下（压力＞4.5 GPa，温度＞1000℃）形成的一种特殊矿物，是获得地球深部信息的直接样品，它不仅可以记录来自地下150~250 km的上地幔信息，还能捕获来自410~660 km的地幔过渡带、甚至更深的下地幔的信息（Smith et al.，2018; Liu et al.，2021; Tschauner et al.，2021; Yang et al.，2021; 杨经绥等，2021）。因此，金刚石是认识地球地幔深部的物质组成、形成环境和动力学演化过程的重要研究对象。
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金刚石由碳原子组成，每个碳原子都与其他4个碳原子紧密连接，形成共价键，构成一个牢固的正四面体（连东洋等，2019）。四面体中的碳-碳键能很强，所有的价电子被限制在共价键区域，没有自由电子，结构对称，这种特征导致金刚石不仅是目前已知硬度最高的天然矿物，还具有超强的化学稳定性（Breeding and Shigley，2009），是一种非常重要的工业原料，在光学、电子、核能、高能物理、航天技术、自动化技术和医学等高精尖技术领域有广泛应用，是信息时代发展的关键材料，具有无可替代的作用。金刚石具有很高的光学透过率、极高的折射率（2.417）和色散（0.044），切割后呈现金刚光泽和绚丽的火彩（张蓓丽，2006）。宝石级的金刚石称为钻石，它是一种十分稀有的名贵宝石，具有极高的观赏价值和商业价值，号称“宝石之王”，常常被加工成价值连城的珠宝首饰（张蓓丽，2006; Yu et al.，2021）。
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从全球看，金刚石主要产自金伯利岩和钾镁煌斑岩以及与之相关的冲积型砂矿中，与古老而稳定的克拉通密切相关（Tappert and Tappert，2011）。因此，人们通常在克拉通内寻找金刚石资源，但金伯利岩和钾镁煌斑岩中的金刚石含矿率非常低。据统计，全球共发现约7000个金伯利岩和钾镁煌斑岩岩体，其中约1000个岩体中含有金刚石，但有经济价值并能持续开采的只有67个，仅占约1%左右（de Wit et al.，2016）。过去20多年的金刚石全球找矿勘查几乎没有实质突破，如何寻找新的金刚石资源，是世界各国地质找矿面临的难题之一。我国的金刚石资源储量极低，尤其近年来，山东蒙阴、辽宁瓦房店和湖南沅水流域三大金刚石产地陆续停产，使我国金刚石资源处于更加紧缺状态，金刚石找矿亟待突破（刘飞等，2019; 宋瑞祥等，2019）。
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由于小天体撞击在太阳系中十分普遍，撞击产生的高温高压具备了将碳元素转化为金刚石的物理条件。近年来，撞击成因金刚石在国外日益受到关注，未来有可能改变地球金刚石矿产资源的供需格局，需加以重视。本文针对国内金刚石资源的紧缺情况，提出了寻找地外撞击成因金刚石，以及从太空中寻找金刚石资源的新思考。
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1 太阳系小天体撞击的普遍性
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根据星云假说，太阳系形成于一团由气体和尘埃组成的原始星云中，其中约99.86%的质量集中在太阳上，产生了核聚变并释放出巨大的能量。剩余的物质中，冷凝点较高的元素在离太阳较近的区域率先凝聚，形成星子并相互碰撞、吸积，成为原行星胚胎，继续成长并最终形成水星、金星、地球和火星等类地行星。冷凝点较低的气体物质被驱赶到远离太阳的地方，形成了木星、土星、天王星、海王星等类木行星。行星形成后的残留物质，主要聚集在火星和木星之间的小行星带、海王星之外的柯伊伯带（典型代表是曾经为九大行星之一的冥王星及其卫星）、以及太阳系边缘的奥尔特云（主要证据是运行在大椭圆轨道上的长周期彗星）。小行星和彗星等小天体的运行轨道不稳定，容易受到木星等行星的引力扰动，而与其他行星及其卫星的轨道相交并撞向它们。据不完全统计，月球上直径大于1 km的撞击坑有33000个，由于同一区域受到反复撞击，导致前期形成的撞击坑被破坏、掩埋甚至消失，实际的撞击次数远大于已有的撞击坑数量。同样，在水星、火星等类地行星，木卫二、土卫九等天然卫星，谷神星、冥王星等矮行星，以及小行星上，都发现了大量的撞击坑（陈丰等，2010; Levison and Dones，2014）。由此可见，太阳系中的小天体撞击现象十分普遍。
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撞击作用是太阳系行星及其卫星演化的重要动力。以月球为例，根据探月工程遥感探测数据的分析以及月壤样品研究的结果，月球在距今约4.1~3.8 Ga左右，曾经遭受过密集的大型撞击事件，被称为晚期重型轰击（Late Heavy Bombardment，LHB）（Bottke et al.，2007）。这些大型撞击作用甚至能击穿月壳，导致岩浆上涌，形成广泛分布的岩浆洋，冷却后形成了如今的月海平原。此后，虽然大型撞击事件变得越来越少，但小型撞击持续至今，导致月球表面岩石被粉碎并反复“翻耕”，形成覆盖整个月球表面厚厚的一层月壤（郑永春，2005）。由此不难推测，小行星、彗星等小天体撞击在地球的地质史上十分普遍，陨击作用是地球早期演化的主要外动力之一。
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2 太空中的金刚石资源
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行星形成的星子堆积理论认为，在太阳系的早期演化中，星子间堆积形成胚胎行星，之后遭受其他小天体撞击、合并，继续增大成为类地行星。因此，不同天体之间相互撞击形成金刚石的现象可能普遍存在（ Lipschutz，1964; Nestola et al.，2020; Burkhardt et al.，2021）。
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在太空中，有些小行星原本是行星内核的一部分，本身含有丰富的金刚石。当它们的运行轨道与地球相交时，会进入地球大气层，部分降落在地球表面形成陨石。例如，一颗橄辉无球粒陨石中发现金刚石，该金刚石的形成压力达到约20 GPa，说明它最初形成于类似水星至火星大小的原行星中（Nabiei et al.，2018）。
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撞击成因金刚石不仅能反映地球和行星遭受小天体撞击的历史，还有可能成为地球矿产资源的重要补充。当小天体撞击行星表面时，产生高温高压，有可能形成金刚石（Nabiei et al.，2018; Nestola et al.，2020）。计算机模拟结果显示，水星表面可能有超过16×1015 t的金刚石。因为经过几十亿年的小天体撞击，水星三分之一的石墨外壳可能已经成为巨大的金刚石矿，即使除掉被后期撞击毁坏的部分，剩下的金刚石资源依旧十分惊人（Cannon，2022）。
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2022年2月，苏富比拍卖行在伦敦拍卖了一颗名为“谜”（The Enigma）的世界最大（111.1 g）天然切割黑钻（carbonado）。其中除了含有微粒金刚石外，缺乏地球上其他金刚石中通常含有的典型壳、幔矿物组合包裹体，却富含星际空间含量丰富的N和H元素，以及陨石中的独特矿物陨氮钛石（osbornite），说明它很可能来自外太空（Parthasarathy et al.，2016）。
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此外，天文观测结果显示，某些恒星的碳氧比很高，使围绕这些恒星的系外行星主要由碳化物组成。这类行星内部的富碳物质在高压高温条件下，可以形成大量金刚石（Allen-Sutter et al.，2020）。比如，巨蟹座55A是一颗类太阳的G型恒星，距离地球约41光年，它的行星巨蟹座55e中有三分之一体积可能是金刚石（Madhusudhan et al.，2012）。
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3 地球上的撞击成因金刚石
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天然金刚石的形态和主要物理特性（结构、颜色和缺陷）存在很大差异。根据X射线衍射结果，天然金刚石被分为11类，其中第I~V类是单晶，第VI~X类为聚晶（具有混沌取向的金刚石微晶聚集体），第XI类具有特定结构，大多与小天体撞击作用有关（Orlov，1977），主要特征是出现朗斯代尔矿（lonsdaleite），即六方多晶系金刚石（Frondel and Marvin，1967）。这种多晶金刚石的晶粒小且存在特定的纹理方向，被认为是撞击作用的产物。
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撞击事件释放的巨大能量会对行星演化产生深远的影响，对地球环境、生物演化，甚至全球地质构造格局、大陆漂移、古地磁极性等都有可能产生决定性影响。迄今为止，地球上证据比较明确的小天体撞击事件主要有：震旦纪—寒武纪界限撞击事件、二叠纪—三叠纪界限撞击事件、白垩纪—第三纪界限撞击事件，以及始新世—渐新世界限（33.9 Ma）、中新世中期（15 Ma）、第四纪早期（2.4 Ma）、更新世（1.1 Ma、0.7 Ma）的撞击事件（欧阳自远，1997）。
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据估算，10 km直径的小天体与地球相撞的几率平均约1次/Ma，形成的撞击坑直径大于100 km，将导致生物灭绝和地球环境灾变。65 Ma时，一个直径约10 km的小行星撞击地球，不仅形成了墨西哥湾尤卡坦半岛直径达200 km的巨大撞击坑，而且导致地球的气候环境发生灾难性剧变，大量生物灭绝，以恐龙为代表的爬行动物的统治地位被哺乳动物所替代（欧阳自远，1997）。
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较小的撞击事件发生的几率则要大得多。据估算，每天有上百吨的地外物质进入地球大气层，大部分撞击发生在人迹罕至的地区。1908年6月30日，一个直径约50 m的小天体在西伯利亚的通古斯地区上空爆炸，导致数千平方千米的森林被毁，引发地震并形成微玻璃陨石。2013年2月，俄罗斯的车里雅宾斯克遭受小行星撞击，这颗小行星在进入地球大气层之前的直径约为18 m，来自火星和木星之间的小行星带（Borovička et al.，2013）。
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尽管地质历史上的撞击事件非常频繁，但小天体撞击的证据常常被地球上活跃的地质运动所掩盖，甚至被磨灭殆尽，使撞击事件难以确认（Mazrouei et al.，2019）。撞击事件留下的痕迹，包括生物的大量灭绝、非地球或非地质因素的微量元素异常、大规模火山集中喷发、黏土岩预示的大量尘埃沉降等证据，地球上已陆续发现了很多小天体撞击形成的撞击坑，目前，全球已确定的撞击坑有192个（James et al.，2022）（图1）。撞击成因金刚石最先发现于俄罗斯Novo-Urei撞击坑。之后，在美国亚利桑那州的巴林杰撞击坑和Canyon Diablo撞击坑、德国的Ries、俄罗斯北极地区尤戈尔半岛的卡拉和极地乌拉尔均有发现（Racki et al.，2018）。其中，西伯利亚北部直径约100 km的珀匹盖撞击坑是世界最大的撞击成因金刚石产地。这次撞击事件发生在35 Ma，当时该地区的片麻岩含有10%的石墨，冲击压力可能超过60 GPa，形成了大量微晶金刚石（Yelisseyev et al.，2016）。
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金伯利岩是克拉通内部岩浆岩，常产于太古宙克拉通及其伴生台地的表壳岩中，它们与大陆裂解无关（Mitchell，2021），那么是否与天体撞击地球有关还不清楚。Mazrouei et al.（2019）通过对全球克拉通中的撞击坑大小、年龄和金伯利岩管分布的统计，展示了撞击坑与全球重要金刚石矿床的分布密切重合（图1），暗示天体撞击地球对金伯利岩的分布可能产生重要作用。我国金伯利岩广泛分布（刘飞等，2019），然而金伯利岩和撞击坑的研究相对薄弱，撞击成因金刚石在国内尚未发现，缺少金伯利岩与撞击坑关系的研究，因此需加以重视。
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图1 全球已确认的192个撞击坑分布图（据Mazrouei et al.，2019修改）
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4 金刚石地质找矿思考与太空采矿前景展望
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来自太空的陨石中发现金刚石，证明其他星球上也有金刚石资源。近年来，随着深空探测的快速发展，小行星探测成为航天的重要目标之一。国际上已开始重视这些具有潜在资源价值的天体并正在研发太空采矿相关技术（Zacny et al.，2013; Andrews et al.，2015），例如，从C型小行星龙宫（162173 Ryugu）和S型小行星丝川（25143 Itokawa）两次采样返回（Tsuda et al.，2019）；探测水星的信使号探测器、探测小行星的黎明号探测器也为太空采矿提供相关技术支持，奥西里斯-REx探测器已经从小行星贝努表面成功采样，预计将于2023年9月回到地球。中国嫦娥二号于2012年近距离探测图塔蒂斯4179号小行星，小天体探测计划预计2025年探测2016 HO3近地小行星并采样返回，之后前往主带彗星311P开展伴飞探测。我国正在加速推进深空探测，积极开展深地与深空相结合的研究计划，并从太阳系的整体视角看待地球矿床的成因，这些举措将为我国金刚石矿床成因和找矿提供新的线索。
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另外，撞击成因金刚石资源的探测和研究也需进一步加强。我国虽然已发现了辽宁岫岩和黑龙江依兰撞击坑（陈鸣等，2009，2020），但至今尚未找到撞击成因的金刚石矿床。从全球看，撞击坑与全球重要金刚石矿床的分布密切重合，我国蒙阴和瓦房店金刚石矿床成因是否与小天体撞击作用有关目前还不清楚。因此，我国急需开展撞击成因金刚石的研究，开阔思路瞄准与太空相关的金刚石资源，开展太空资源开发等前瞻性探索。寻找撞击成因金刚石资源，不仅能开拓新的金刚石找矿方向，而且对追溯地球和行星的演化历史具有重要的启示意义。或许，向地外寻资源将为我国地质找矿开拓新的思路，地球上天然金刚石资源短缺的问题，要从深空探测中寻找答案。在可见的未来，太空资源利用将局限在太阳系内，以小行星资源利用为主，在月球和火星上则以原位利用为主。
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致谢：山东省第七地质矿产勘查院的余西顺院长、王伟德副院长、吕青高工、褚志远高工、王玉峰高工和张勇主任，以及南京大学连东洋副教授给予指导和帮助，郑建平教授给予非常好的修改意见，在此一并表示衷心感谢。
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基本信息
DOI: 10.19762/j.cnki.dizhixuebao.2023106
基金信息
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稿件历史
收稿日期: 2022-10-11
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