Изучение условий внутри Земли имеет решающее значение не только для того, чтобы дать нам представление о истории Земли, но и для понимания текущей окружающей среды и ее будущего.
Это исследование, опубликованное в Nature Communications, предлагает объяснение спуска углерода в недра Земли. «Области стабильности карбонатов являются ключом к пониманию глубокого углеродного цикла и роли недр Земли в глобальном углеродном цикле». - говорит Леонид Дубровинский из Байройтского университета.
Здесь находится Европейский синхротрон ESRF в Гренобле, Франция.входит. «Интенсивные рентгеновские лучи от ESRF позволяют нам получить доступ к экстремальным условиям во всей мантии Земли». - подчеркивает Валерио Серантола, ведущий автор, бывший аспирант Байройтского университета, а ныне научный сотрудник ESRF.
В последнее столетие быстрое увеличение количества CO2 в атмосфере вместе с наблюдаемым изменением климата все больше привлекало внимание ученых к круговороту углерода и его эволюции на поверхности Земли. Углеродный цикл также распространяется под поверхностью: по последним оценкам, до 90% углеродного баланса Земли приходится на мантию и ядро Земли. Из-за динамического характера движений тектонических плит, конвекции и субдукции происходит постоянная переработка углерода между поверхностью Земли и ее недрами.
В этом исследовании исследовательская группа сосредоточилась на карбонатных фазах, которые являются одним из основных углеродсодержащих минералов в глубокой мантии. Карбонаты представляют собой группу минералов, которые содержат ион карбоната (CO32-) и металл, такой как железо или магний. Ученые изучили поведение чистого карбоната железа FeCO3 (называемого сидеритом) при экстремальных условиях температуры и давления, охватывающих всю мантию Земли, то есть свыше 2500 К и 100 ГПа, что примерно в миллион раз превышает атмосферное давление.
"Этот карбонат железа представляет особый интерес из-за его стабильности в условиях нижней мантии из-за спинового перехода. Кроме того, кристаллохимия карбонатов высокого давления резко отличается от таковой в условиях окружающей среды." объясняет Елена Быкова из Байройтского университета.
Чтобы изучить стабильность FeCO3, исследовательская группа провела эксперименты с высоким давлением и высокой температурой на трех каналах ESRF: ID27, ID18 и ID09a (теперь ID15b). «Комбинация нескольких методов дала нам уникальные наборы данных, которые в конечном итоге позволили нам обнаружить новые С-носители в недрах Земли и показать механизм их образования», - говорит Серантола. Один экспериментальный запуск был проведен на линии луча 13ID-D в APS.
При нагревании FeCO3 до геотермальных температур Земли при давлениях примерно до 50 ГПа FeCO3 частично диссоциировал и образовывал различные оксиды железа. При более высоких давлениях, выше ~75 ГПа, ученые обнаружили два новых соединения - ортокарбонат тетражелеза (III), Fe43+C3O12, и тетракарбонат дижелеза (II) дижелеза (III), Fe22+Fe23+C4O13.
Были некоторые теоретические предсказания, но до сих пор экспериментальная информация о структурах карбонатов высокого давления была слишком ограниченной (и действительно противоречивой), чтобы строить предположения о кристаллохимии карбонатов. Наши данные показывают, что в то время как кристаллическая структура Fe22+Fe23 +C4O13 можно найти в силикатах, аналогов Fe43+C3O12 в природе не обнаружено». подчеркивает Быкова.
Они также выяснили, что одна фаза, тетракарбонат Fe4C4O13, проявляет беспрецедентную структурную стабильность и сохраняет свою структуру даже при давлениях по всей геотерме до глубин не менее 2500 км, что близко к границе между мантией и ядро. Таким образом, он продемонстрировал, что реакции самоокисления-восстановления могут сохранять карбонаты в нижней мантии Земли. «Исследование показывает важность реакций окисления и восстановления (окислительно-восстановительных) в глубоком углеродном цикле, которые неизбежно связаны с другими летучими циклами, такими как кислород». подчеркивает Кэтрин Маккаммон из Байройтского университета.