Американские исследователи выяснили, что на границе мантии и ядра происходят процессы, подобные химическим реакциям при появлении ржавчины на земной поверхности. В ходе этого процесса выделяется углерод и появляются алмазы. Работа поможет понять процесс круговорота углерода в природе. Исследование опубликовано в журнале Geophysical Research Letters.
Где в мире находится больше всего углерода? В самом центре Земли — ядре. Именно там погребено более 90% всего углерода на нашей планете. Ученые выяснили, что земная кора, которая расположена в океанах и опускается вниз на границе литосферных плит, содержит водные минералы и может достигать границы ядра и мантии. При этом температура в этой зоне как минимум вдвое выше, чем в лаве. Этого достаточно, чтобы из водосодержащих минералов могла выделяться вода. Поэтому глубоко в недрах Земли может проходить процесс, подобный тому, как ржавеет железо на поверхности.
Ученые из Аризонского университета провели эксперименты на усовершенствованном источнике фотонов в Аргоннской национальной лаборатории. Они сжали железо-углеродный сплав и воду до давления и температуры, которые соответствуют среде на границе мантии и ядра. Из-за этого сплав расплавился, и исследователи обнаружили, что вода и металл в таких условиях образуют оксиды и гидроксиды железа. Эта же реакция виновна в появлении ржавчины в обычных условиях. Однако ученые обнаружили интересную деталь: во время реакции углерод выходил из жидкого железометаллического сплава. Появлялся алмаз.
«Температура на границе между силикатной мантией и металлическим ядром на глубине 3000 км достигает примерно 3900°C, что достаточно высоко для того, чтобы большинство минералов теряли H2O, захваченную в их структурах атомарного масштаба», — сказал Дэн Шим, профессор Школы Земли и космоса при Университете Аризоны.
Ранее ученые предполагали, что углерода в ядре очень много, а в мантии наоборот. «При давлениях, ожидаемых для границы между ядром и мантией Земли, сплав водорода с жидким металлическим железом, по-видимому, снижает растворимость других легких элементов в ядре. Поэтому растворимость углерода, который, вероятно, существует в ядре Земли, локально уменьшается там, где водород поступает в ядро из мантии (путем дегидратации). Стабильной формой углерода при давлении и температуре на границе ядра и мантии Земли является алмаз. Таким образом, углерод, выходящий из жидкого внешнего ядра, станет алмазом, когда попадет в мантию», — добавил Шим.
Углерод очень важен для геологических процессов, и это открытие поможет лучше понять круговорот углерода в недрах Земли. Утечка этого химического элемента из ядра в мантию достаточно большая, чтобы существенно повысить уровень углерода в ней. При этом исследователи предположили, что на границе ядра и мантии могут быть настоящие залежи алмазов. Сейсмические исследования могут помочь обнаружить их.
Команда ученых планирует продолжить исследовать, как концентрация различных элементов (кремний, сера и кислород) может меняться в ходе химических реакций на границе мантии и ядра.