Карбонаты железа в мантии Земли способствуют образованию алмазов

Международная группа исследователей выяснила, что в особых условиях глубоко в мантии Земли карбонаты железа могут играть роль в формировании алмазов.

Алмазы, извлечённые с глубин около 700 км, содержат включения с карбонатами, что является прямым доказательством существования карбонатов на таких глубинах. Однако их область стабильности, кристаллические структуры и термодинамические условия процесса декарбонизации изучены недостаточно.

Учёные из России, Франции, Германии, Италии и США исследовали эти карбонаты, моделируя особые условия, характерные для глубокой мантии Земли, включая экстремально высокое давление (эквивалентное более чем миллиону атмосфер) и температуру (обычно в диапазоне 2000–2500°C). Большинство химических соединений, стабильных на поверхности Земли, не могут существовать в таких условиях.

Однако исследователи обнаружили исключения. Их работа показала, что в этих условиях молекулы карбонатов могут существовать и реорганизовываться так, что атом углерода приобретает дополнительный атом кислорода, формируя тетраэдрическую форму. Впервые были обнаружены два новых соединения, включая так называемый «тетракарбонат», который потенциально может сохраняться глубоко в нижней мантии.

Результаты указывают, что одна из новых кристаллических структур необычайно стабильна и сохраняет свою структуру в условиях мантии до глубин 2500 км — почти до границы с ядром. Благодаря процессу самоокисления карбонаты могут сохраняться глубоко в мантии, тем самым способствуя образованию алмазов.

«Это открытие может помочь нам лучше понять реакции самоокисления в Земле и роль нашей планеты в углеродном цикле», — отметила соавтор исследования, исследователь Сколтеха Лейла Исмаилова.

Для моделирования условий глубокой мантии команда использовала лазерно-нагреваемые алмазные наковальни, сжимая образец размером 10–15 микрон между алмазами с фокусировкой лазерного луча. Структуру и состав образцов изучали с помощью синхротронного рентгеновского излучения в Европейском центре синхротронного излучения (Франция) и Advanced Photon Source (США). Там же с помощью синхротронной мессбауэровской спектроскопии измерили крошечные изменения в энергетических уровнях атомов железа, что было ключевым для определения валентного состояния новых высокобарических карбонатов железа.