Могут ли алмазы быть источником метана?

Превращение одного из самых прекрасных драгоценных камней в мире — алмаза — в один из худших парниковых газов — метан — не кажется хорошей идеей. Тем не менее, это произошло в результате работы международной группы исследователей из Университетов Болоньи и Эдинбурга (Великобритания), Национального центра научных исследований (Франция) и HPSTAR (Китай). Этот результат, опубликованный в Nature Communications, не был лабораторной ошибкой. Напротив, исследование может пролить свет на глубокий углеродный цикл и формирование углеводородов посредством абиотических процессов (то есть не связанных с биологической активностью) в недрах Земли.

Глубинный углеродный цикл составляет около 90% всего углеродного цикла планеты. Несмотря на это, происходящий под поверхностью Земли процесс до сих пор мало изучен. Это явление имеет решающее значение для жизни на нашей планете, так как позволяет углероду из недр возвращаться в атмосферу.

«Хорошо известно, что разложение метана может приводить к образованию алмазов. До сих пор менее известно было то, что возможен и противоположный процесс. Метан, произведенный в результате реакции между алмазами и водородом, был недостающим элементом для более широкого понимания глубокого углеродного цикла», — объясняет Альберто Витале Бровароне, профессор кафедры биологических, геологических и экологических исследований Болонского университета и один из авторов исследования.

Глубинный углеродный цикл также включает формирование углеводородов, таких как метан, в результате процессов, не связанных с биологической активностью. Эта теория обсуждается уже более века. Чтобы проверить её, исследователи начали с алмазов — по сути, драгоценных камней мантии Земли, состоящих из твёрдых атомов углерода в кристаллической структуре.

Учёные использовали «алмазную наковальню» — аппарат высокого давления для сжатия двух алмазных наковален друг против друга, чтобы воспроизвести условия давления в верхней мантии Земли на глубине более 70 км. Затем, подав одну атмосферу чистого водорода при температуре 300 °C, исследователи наблюдали быстрое образование молекул метана (CH₄).

«Мы создали среду, сравнимую по температуре и давлению с внешним слоем земной мантии, и наблюдали, как алмаз и водород легко вступают в реакцию, производя метан в течение нескольких секунд», — заявляет Витале Бровароне. «Это показывает, что углеводороды, такие как метан, могут образовываться на абиотических глубинах. Это явление может играть ключевую роль в глубоком углеродном цикле Земли».

Исследователи повторили эксперимент, добавив графит (также состоящий из чистого углерода) и стеклообразный углеродный материал. В обоих случаях они наблюдали более быстрое и обильное образование метана по сравнению с использованием только алмазов. Эти результаты позволяют предположить, что графитовые материалы на основе углерода могут быть очень эффективными реагентами и, следовательно, служить источниками энергии, питающими запасы метана в верхней мантии Земли.