Понимание глобального углеродного цикла дает ученым важные сведения о пригодности планеты для жизни.
Это причина, по которой Земля имеет мягкий стабильный климат и атмосферу с низким содержанием углекислого газа по сравнению, например, с атмосферой Венеры, которая находится в безудержном парниковом состоянии с высокими температурами поверхности и толстой атмосферой из углекислого газа.
Одним из основных различий между Землей и Венерой является существование активной тектоники плит на Земле, которая делает нашу среду уникальной в пределах нашей Солнечной системы.
Но атмосфера, океаны и земная кора - это только часть истории. Мантия, которая составляет 75% объема Земли, потенциально содержит больше углерода, чем все остальные резервуары вместе взятые.
Углерод - один из основных строительных блоков органической жизни - попадает в недра Земли путем субдукции, где резко снижает температуру плавления твердой мантии, образуя карбонатные расплавы (богатые углеродом расплавленные породы) на мелководье. мантии, подпитывая поверхностные вулканы. Карбонатные минералы также могут переноситься намного глубже в землю, достигая нижних слоев мантии, но неизвестно, что произойдет дальше.
Ответ на этот вопрос сопряжен с трудностями - условия глубоко внутри Земли экстремальны, а образцы из мантии редки. Решение состоит в том, чтобы воссоздать эти условия в лаборатории с помощью сложной технологии.
Теперь группа ученых-экспериментаторов из Бристольского университета сделала именно это. Их результаты, опубликованные в открытом доступе в Earth and Planetary Science Letters, раскрывают новые сведения о том, что происходит с карбонатными минералами, когда они переносятся в мантию посредством субдукции океанической коры (где одна из тектонических плит Земли скользит под другую).
Их результаты выявили барьер для субдукции карбоната за пределами глубины около 1000 км, где он реагирует с кремнеземом в океанической коре с образованием алмазов, которые хранятся в недрах Земли в течение геологических временных масштабов.
Д-р Джеймс Дрюитт из Школы наук о Земле объясняет: «Остаются ли стабильными карбонатные минералы в нижней мантии Земли, и если нет, то какие изменения давления/температуры необходимы, чтобы вызвать реакции между минералами, и что они делают? На эти вопросы мы хотели найти ответы, и единственный способ получить эти ответы - воспроизвести условия недр Земли».
Доктор Дрюитт и его команда подвергли синтетические карбонатные породы воздействию очень высоких давлений и температур, сравнимых с глубинными земными условиями, до 90 ГПа (около 900 000 атмосфер) и 2000 градусов по Цельсию, используя нагреваемую лазером ячейку с алмазной наковальней. Они обнаружили, что карбонат остается стабильным до глубины 1000-1300 км, почти на полпути к ядру.
В этих условиях карбонат вступает в реакцию с окружающим кремнеземом, образуя минерал, известный как бриджманит, который образует большую часть мантии Земли. Углерод, выделяющийся в результате этой реакции, находится в виде твердого диоксида углерода. Поскольку горячая окружающая мантия в конечном итоге нагревает субдуктированную плиту, этот твердый углекислый газ распадается, образуя сверхглубокие алмазы.
Д-р Дрюитт добавляет: «В конце концов сверхглубокие алмазы могут быть возвращены на поверхность восходящими мантийными плюмами, и этот процесс может представлять собой один из источников сверхглубоких алмазов, которые мы находим на поверхности и которые предоставляют единственное прямое свидетельство мы имеем состав глубокой земли.
"Это захватывающе, потому что самая глубокая скважина, которую когда-либо удавалось пробурить людям, составляет около 12 км, что составляет менее половины глубины земной коры. Это меркнет по сравнению с массивным размером мантии Земли, которая простирается почти на, глубина 000 км."
Команда использовала ячейку с алмазной наковальней для создания давлений, эквивалентных давлениям, обнаруженным на этих глубинах, загружая образцы под микроскопом в камеру давления, высверленную из металлической прокладки, которая затем сжималась между бриллиантом ювелирного качества, бриллиантовой огранкой наковальни. Затем кристаллическая структура этих образцов была проанализирована с помощью рентгеновской дифракции на синхротроне Великобритании в Оксфордшире.
Д-р Дрюитт теперь планирует применить эти эксперименты с высоким давлением и высокой температурой вместе с передовыми методами компьютерного моделирования к другим минералам и материалам, добавив: мантии, и при освобождении это вызовет плавление верхней и нижней мантии Земли.
Однако мы не можем адекватно проверить или понять текущие модели динамического поведения этой богатой водой расплавленной породы, потому что мы не знаем их состава или их физических свойств. Эксперименты в экстремальных условиях и расширенное компьютерное моделирование, над которыми мы сейчас работаем, помогут решить эти проблемы».