Тысячи алмазов, образовавшихся в сотнях километров в глубине планеты, проложили путь к некоторым из самых исторических достижений и открытий 10-летней программы Deep Carbon Observatory, которые отмечаются 24-26 октября в Национальной академии США. наук.
Неприглядные черные, красные, зеленые и коричневые вкрапления минералов, а также микроскопические карманы жидкости и газа, инкапсулированные алмазами по мере их образования в Глубинах Земли, фиксируют элементальное окружение и реакции, происходящие внутри Земли на определенной глубине и время, раскрывая некоторые из самых сокровенных секретов планеты.
Водород и кислород, например, захваченные внутри алмазов из слоя на глубине от 410 до 660 километров ниже поверхности Земли, свидетельствуют о подземном существовании океанов, достойных H2O - гораздо больше по массе, чем вся вода в каждом океане на Земле. поверхностный мир.
Это огромное количество воды могло быть принесено на Глубокую Землю с поверхности в результате движения больших континентальных и океанических плит, которые, разделяясь и двигаясь, сталкиваются друг с другом и накладываются друг на друга. Эта субдукция плит также закапывает углерод с поверхности обратно в глубины, процесс, фундаментальный для естественного углеродного баланса Земли и, следовательно, для жизни.
Знание содержания воды в недрах Земли имеет решающее значение для понимания разнообразия и поведения материалов при плавлении на разных глубинах планеты, образования и потоков углеводородов (например, нефти и природного газа) и других материалов, а также глубокая подземная электропроводность.
Датируя нетронутые фрагменты материала, застрявшие внутри других сверхглубоких алмазных «включений», исследователи DCO могли установить приблизительную отметку времени начала тектоники плит - «одного из величайших новшеств на планете», по словам исполнительного директора DCO Роберта Хейзена из Института науки Карнеги. Это началось примерно 3 миллиарда лет назад, когда Земле было всего 1,5 миллиарда лет.
Алмазные исследования резко ускорились благодаря созданию глобальной сети исследователей DCO и привели к некоторым из самых интригующих открытий и достижений программы.
Алмазы из самых глубоких глубин, часто мелкие и с плохой чистотой, обычно не используются Tiffany's в качестве драгоценных камней, но они удивительно сложны, надежны и бесценны для исследований. Включения предложили ученым DCO образцы минералов, которые существуют только при чрезвычайно высоком подземном давлении, и предложили три способа образования алмазов.
В то время как 90% проанализированных алмазов были созданы учеными-углеродщиками, ожидавшимися в мантии, некоторые «относительно молодые» алмазы (возрастом до нескольких сотен миллионов лет), по-видимому, включают углерод из когда-то живших источников; другими словами, они сделаны из углерода, возвращенного на Глубокую Землю из поверхностного мира.
Алмазы также выявили недвусмысленные доказательства того, что некоторые углеводороды образуются на глубине сотен миль, далеко за пределами живых клеток: абиотическая энергия.
Разгадка тайны глубокого абиотического метана и других источников энергии помогает объяснить, как питается глубинная жизнь в форме микробов и бактерий, и подпитывает предположение, что жизнь впервые возникла и развилась далеко внизу (а не мигрировала вниз) поверхностный мир.
Алмазы также позволили ученым DCO смоделировать экстремальные условия недр Земли.
Ученые из сообщества экстремальной физики и химии DCO использовали ячейки с алмазными наковальнями - инструмент, который может сильно сжимать образец между кончиками двух алмазов, в сочетании с лазерами, которые нагревают сжатые кристаллы - для имитации почти невообразимых экстремальных температур глубокой Земли и давления.
Используя различные передовые методы, они проанализировали сжатые образцы, идентифицировали 100 новых углеродсодержащих кристаллических структур и задокументировали их интригующие свойства и поведение.
Работа позволила понять, как атомы углерода в глубинах Земли «находят друг друга», объединяются и собираются, образуя алмазы и другие материалы.
Разработка новых материалов; возможные стратегии улавливания и хранения углерода
Открытия и исследования DCO важны и применимы во многих отношениях, включая разработку новых материалов и потенциальных стратегий улавливания и хранения углерода.
Ученые DCO изучают, например, как можно сократить естественные временные рамки секвестрации углерода.
Выветривание и микробная жизнь внутри офиолита Самаил в Омане - необычной большой плиты, вытолкнутой из верхней мантии Земли давным-давно - предлагает руководство по методам секвестрации углерода в природе, знания, которые могут помочь компенсировать выбросы углерода, вызванные людьми.
В Исландии другой проект DCO по естественной секвестрации, CarbFix, включает закачку углеродсодержащих флюидов в базальт и наблюдение за их превращением в твердые вещества.
Десятилетие открытий
Сотни ученых со всего мира встречаются в Вашингтоне, округ Колумбия, с 24 по 26 октября, чтобы поделиться и отметить результаты широкомасштабной десятилетней обсерватории Deep Carbon - одного из крупнейших глобальных исследовательских объединений в области наук о Земле. предпринято.
С его секретариатом в Институте науки Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия, и 50 миллионами долларов основной поддержки от Фонда Альфреда П. Слоана, многократно умноженной на дополнительные инвестиции по всему миру, междисциплинарная группа из 1 200 исследователей из 55 страны работали в течение 10 лет в четырех взаимосвязанных научных «сообществах», чтобы исследовать фундаментальные процессы Земли, в том числе:
- Как углерод перемещается между недрами Земли, поверхностью и атмосферой
- Откуда взялся глубинный углерод Земли, сколько существует и в каких формах
- Как зародилась жизнь и ограничения, такие как температура и давление, для глубинной микробной жизни Земли
Они справились с задачей исследования недр Земли несколькими способами, написав 1400 рецензируемых статей и реализовав 268 проектов, в которых участвовали, например:
- Изучение алмазов, вулканов и образцов керна, полученных при бурении на суше и на море
- Проведение лабораторных экспериментов для имитации экстремальных температур и давлений в недрах Земли, а также путем теоретического моделирования эволюции и движения углерода в глубоком прошлом, и
- Разработка новых высокотехнологичных инструментов
Ученые DCO проводили полевые измерения в отдаленных и негостеприимных регионах мира: на дне океанов, на вершинах действующих вулканов и в пустынях Ближнего Востока.
Там, где не хватало инструментов и моделей, ученые DCO разработали новые инструменты и модели для решения этой задачи. На протяжении этих исследований DCO инвестировала в следующее поколение исследователей глубокого углерода, студентов и начинающих ученых, которые будут продолжать традицию исследований и открытий на десятилетия вперед.
Ключевые открытия в течение 10-летней программы Deep Carbon Observatory
В дополнение к информации, полученной в ходе исследования алмазов, описанному выше, главные открытия программы включают:
Глубинная биосфера - одна из крупнейших экосистем Земли
Жизнь в глубоких недрах насчитывает от 15 000 до 23 000 мегатонн (миллионов метрических тонн) углерода, что примерно в 250-400 раз превышает массу углерода всех людей. Огромная биосфера Глубокой Земли занимает пространство почти в два раза больше, чем все мировые океаны.
Ученые DCO исследовали, как микробы черпают средства к существованию из «абиотического» метана и других источников энергии - топлива, которое не было получено из биотической жизни наверху.
Если микробы могут зарабатывать на жизнь, используя химическую энергию горных пород в недрах Земли, это может быть справедливо и для других планетарных тел.
Эти знания о типах окружающей среды, которые могут поддерживать жизнь, особенно те, где энергия ограничена, могут помочь в поисках жизни на других планетах. Например, во внешней части Солнечной системы энергии солнца мало, как и в подповерхностной среде Земли.
Исследователи DCO также обнаружили самую глубокую, самую низкую плотность и самую долгоживущую микробную экосистему под морским дном, когда-либо зарегистрированную, и изменили наше понимание пределов жизни при экстремальных давлениях, температурах и глубинах.
Горные породы и жидкости в земной коре дают ключ к разгадке происхождения жизни на этой планете и о том, где искать жизнь на других
Ученые DCO обнаружили аминокислоты и сложные органические молекулы в горных породах на морском дне. Эти молекулы, строительные блоки жизни, образовались в результате абиотического синтеза и никогда прежде не наблюдались в геологических летописях.
Они также обнаружили карманы древних соленых жидкостей, богатых водородом, метаном и гелием, на много километров глубиной, что свидетельствует о ранней защищенной среде, способной укрывать жизнь.
Абиотический метан образуется в коре и мантии Земли
Когда вода встречается с вездесущим минералом оливином под давлением, горная порода вступает в реакцию с атомами кислорода из H2O и превращается в другой минерал, серпентин, характеризующийся чешуйчатым, зелено-коричневым, похожим на змеиную кожу внешним видом.
Этот процесс «серпентинизации» приводит к образованию «абиотического» метана во многих различных средах на Земле. Ученые DCO разработали и использовали сложное аналитическое оборудование, чтобы различать биотическое (полученное из древних растений и животных) и абиотическое образование метана.
DCO полевые и лабораторные исследования пород из верхней мантии документируют новый процесс серпентинизации под высоким давлением, в результате которого образуется абиотический метан и другие формы углеводородов.
Формирование метана и углеводородов в ходе этих геологических абиотических процессов обеспечивает топливо и средства к существованию для микробной жизни.
Атмосферный CO2 был относительно стабильным на протяжении тысячелетий, но время от времени происходили огромные катастрофические выбросы углерода
Ученые DCO реконструировали глубокий углеродный цикл Земли на протяжении тысячелетий до наших дней. Эта новая, более полная картина планетарного поглощения и выделения углерода показывает удивительно стабильную систему на протяжении сотен миллионов лет, с несколькими заметными эпизодическими исключениями.
Континентальный распад и связанная с ним вулканическая активность являются основными причинами естественного планетарного выделения газа. Ученые DCO дополнили эту картину, исследуя редкие эпизоды массовых извержений вулканов и столкновений с астероидами, чтобы узнать, как Земля и ее климат реагируют на такие катастрофические углеродные нарушения..
Моделирование тектоники плит с использованием новой платформы DCO Gplates позволило реконструировать углеродный цикл Земли в течение геологического времени.
Большая часть углерода, выделяемого из глубин Земли, просачивается из трещин и разломов, не связанных с извержениями
Вулканы и вулканические районы выделяют углекислый газ (CO2) в систему океан/атмосфера со скоростью 280-360 мегатонн в год. Это включает как выбросы во время вулканических извержений, так и дегазацию CO2 из диффузных трещин и разломов в вулканических регионах по всему миру и срединно-океанических хребтов..
Человеческая деятельность, такая как сжигание ископаемого топлива, является причиной примерно в 100 раз большего количества выбросов CO2, чем все источники вулканического и тектонического происхождения вместе взятые.
Изменяющееся соотношение CO2 к SO2, выбрасываемому вулканами, может помочь в прогнозировании извержений
Объем выделяемого CO2 по отношению к SO2 увеличивается для некоторых вулканов за несколько дней или недель до извержения, что повышает возможность улучшения прогнозирования и снижения опасности для человека.
Исследователи DCO измерили вулканическую активность по всему миру. Например, вулкан Этна в Италии, один из самых активных вулканов Земли, обычно извергал в 5-8 раз больше CO2, чем обычно, примерно за две недели до крупного извержения..
Жидкости перемещают и трансформируют углерод глубоко внутри Земли
Эксперименты и новая теоретическая работа привели к революционной новой модели DCO воды в недрах Земли и открытию того, что алмазы могут легко образовываться в результате взаимодействия вода-порода с участием органического и неорганического углерода.
Эта модель предсказала изменение химического состава воды, обнаруженной во флюидных включениях в алмазах, и дает новое представление о количествах углерода и азота, доступных для возврата в атмосферу Земли в течение длительного времени.
Ученые DCO также обнаружили, что растворимость углеродсодержащих минералов, включая карбонаты, графит и алмаз, намного выше, чем считалось ранее, в системах вода-порода в мантии.
31 новый углеродсодержащий минерал обнаружен за четыре года
После каталогизации известных углеродсодержащих минералов на поверхности Земли, их состава и мест нахождения, исследователи DCO обнаружили статистические связи между местонахождениями минералов и частотой их появления. С помощью этой модели они предсказали существование 145 видов, которые еще предстоит открыть, и в 2015 году обратились к гражданским ученым с просьбой помочь их найти.
Из 31 нового для науки минерала, обнаруженного в ходе проекта Carbon Mineral Challenge, два были предсказаны, в том числе триазолит, обнаруженный в Чили и предположительно полученный частично из гуано бакланов. Фото ниже.
Тем временем ученые во главе с исполнительным директором DCO Робертом Хейзеном создали совершенно новую систему классификации минералов.
С помощью экспериментов и наблюдений ученые DCO открыли новые формы углерода глубоко в мантии Земли, проливая новый свет на углеродную «емкость хранения» глубокой мантии и на роль субдукции в переработке поверхностного углерода обратно в земную интерьер.
Исследования также проливают новый свет на записи крупных изменений в истории нашей планеты, таких как рост содержания кислорода и рост и уменьшение суперконтинентов.
Две трети углерода Земли могут находиться в богатом железом ядре
Исследования DCO показывают, что две трети или более углерода Земли могут быть изолированы в ядре в виде карбида железа. Этот «скрытый углерод» приближает общее содержание углерода на Земле к тому, что наблюдается на Солнце, и помогает нам понять происхождение углерода Земли из небесного материала.