Карбонаты заставляют алмазы расти в мантии Земли

Алмазы, которые никто никогда не видит, могут формироваться глубоко в недрах Земли. Это связано с химическими условиями, контролирующими связанный с ними углеродный цикл. Исследователи из Швейцарии с помощью лабораторных экспериментов показали, как это происходит.

Карбонатные расплавы, среди прочего, образуются, когда известняки попадают в мантию Земли. Это происходит в результате субдукции, когда старая океаническая кора погружается под соседнюю тектоническую плиту. С помощью высокотемпературных экспериментов в лаборатории постдок Арно Рорбах и профессор ETH Zurich Макс Шмидт из Института геохимии и петрологии изучили поведение окисленного углерода в карбонатах в мантии Земли. Они обнаружили, что на глубине более 200 км погруженные карбонаты достигают точки плавления, которая на 300–400 градусов ниже, чем у силикатов. Образуется карбонатный расплав, который мигрирует в окружающую мантию и вызывает её частичное плавление. Поскольку мантия Земли обладает сильными восстановительными свойствами и содержит элементарное металлическое железо, CO₂ в расплаве реагирует с железом. Это приводит к формированию алмазов.

Исследование, недавно опубликованное в журнале Nature, показывает, что для понимания процессов в значительно более восстановленной глубокой мантии необходимо учитывать редокс-равновесие между окисленными карбонатами и восстановленной, содержащей металлы, глубокой мантией. «Минералы мантии Земли, такие как гранат и перовскит, предпочтительно включают трёхвалентное железо при своём образовании», — объясняет Макс Шмидт. При давлении более 10 гигапаскалей и температуре 1400–1700 °C алмазы кристаллизуются из карбонатного расплава, который затем затвердевает.

В результате конвекции в мантии Земли за сотни миллионов лет «агломераты» алмазов могут транспортироваться в нижнюю мантию на глубину более 2000 км, а затем снова подниматься. При подъёме через переходную зону из нижней в верхнюю мантию трёхвалентное железо, высвобождаемое из нестабильных минералов, реагирует с алмазами. Углерод снова окисляется, алмазы разрушаются, а трёхвалентное железо восстанавливается до двухвалентного. Могут вновь образовываться карбонатные расплавы.

Таким образом, исследователи не только показали, как и где образуются карбонатные расплавы в мантии Земли, но и продемонстрировали, как функционирует углеродный цикл от поверхности Земли до её недр: от CO₂, транспортируемого с карбонатами вглубь, до восстановления до чистого углерода и, наконец, обратного окисления до CO₂ при подъёме. Образующийся карбонатный расплав в конечном итоге возвращает углекислый газ на поверхность Земли через активные вулканы, такие как Ол-Доиньо-Ленгаи в Танзании.