Согласно новому исследованию Массачусетского технологического института и других университетов, в недрах Земли может быть спрятано более квадриллиона тонн алмазов. Но вряд ли новые результаты вызовут бриллиантовую лихорадку. По оценкам ученых, драгоценные минералы залегают более чем в 100 милях от поверхности, намного глубже, чем когда-либо достигала любая буровая экспедиция.
Сверхглубокий тайник может быть разбросан в корнях кратона - древнейших и наиболее неподвижных участках горных пород, лежащих под центром большинства континентальных тектонических плит. По форме напоминающие перевернутые горы, кратоны могут простираться на глубину до 200 миль сквозь земную кору и в ее мантию; геологи называют их самые глубокие участки «корнями».
В новом исследовании ученые подсчитали, что кратонные корни могут содержать от 1 до 2 процентов алмазов. Принимая во внимание общий объем кратонных корней в Земле, команда подсчитала, что около квадриллиона (1016) тонн алмазов рассеяно в этих древних породах на глубине от 90 до 150 миль под поверхностью.
«Это показывает, что алмаз, возможно, не является таким экзотическим минералом, но в [геологическом] масштабе вещей он относительно распространен», - говорит Ульрих Фаул, научный сотрудник Департамента наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института.. «Мы не можем добраться до них, но тем не менее алмазов там гораздо больше, чем мы когда-либо думали».
Соавторы Фаула включают ученых из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Института физики земного шара в Париже, Калифорнийского университета в Беркли, Политехнической школы, Института Карнеги в Вашингтоне, Гарвардского университета, Университета наук и технологий Китая, Байройтского университета, Мельбурнского университета и Университетского колледжа Лондона.
Глюк со звуком
Фол и его коллеги пришли к такому выводу после изучения аномалии в сейсмических данных. В течение последних нескольких десятилетий такие агентства, как Геологическая служба США, ведут глобальные записи сейсмической активности - по сути, звуковых волн, проходящих через Землю, которые вызываются землетрясениями, цунами, взрывами и другими источниками, сотрясающими землю. Сейсмические приемники по всему миру улавливают звуковые волны от таких источников с различной скоростью и интенсивностью, которые сейсмологи могут использовать, чтобы определить, например, где возникло землетрясение.
Ученые также могут использовать эти сейсмические данные для построения изображения того, как может выглядеть недра Земли. Звуковые волны распространяются по Земле с разной скоростью в зависимости от температуры, плотности и состава горных пород, через которые они проходят. Ученые использовали эту взаимосвязь между сейсмической скоростью и составом горных пород для оценки типов горных пород, составляющих земную кору и части верхней мантии, также известной как литосфера.
Однако, используя сейсмические данные для картирования недр Земли, ученые не смогли объяснить любопытную аномалию: звуковые волны имеют тенденцию значительно ускоряться при прохождении через корни древних кратонов. Известно, что кратоны холоднее и менее плотны, чем окружающая мантия, что, в свою очередь, приводит к немного более быстрым звуковым волнам, но не таким быстрым, как было измерено.
«Измеряемые скорости выше, чем мы думаем, что можем воспроизвести с разумными предположениями о том, что там происходит», - говорит Фол. «Тогда мы должны сказать: «Есть проблема». Так начался этот проект."
Бриллианты в глубине
Команда стремилась определить состав кратонных корней, которые могли бы объяснить всплески сейсмических скоростей. Для этого сейсмологи в команде сначала использовали сейсмические данные Геологической службы США и других источников для создания трехмерной модели скоростей сейсмических волн, проходящих через основные кратоны Земли.
Затем Фол и другие, которые в прошлом измеряли скорость звука в различных типах минералов в лаборатории, использовали эти знания для сборки виртуальных камней, сделанных из различных комбинаций минералов. Затем команда подсчитала, с какой скоростью звуковые волны будут проходить через каждую виртуальную породу, и обнаружила только один тип породы, производящий те же скорости, что и замеренные сейсмологами: ту, которая содержит от 1 до 2 процентов алмаза в дополнение к перидотиту (преобладающей породе). тип верхней мантии Земли) и незначительное количество эклогита (представляющего субдуктированную океаническую кору). Этот сценарий представляет собой как минимум в 1000 раз больше алмазов, чем люди ожидали ранее.
«Алмаз во многих отношениях особенный, - говорит Фол. «Одним из его особых свойств является то, что скорость звука в алмазе более чем в два раза выше, чем в преобладающем минерале в породах верхней мантии, оливине».
Исследователи обнаружили, что горная порода, содержащая от 1 до 2 процентов алмазов, как раз достаточна для создания более высоких скоростей звука, которые измеряли сейсмологи. Эта небольшая часть алмаза также не изменила бы общую плотность кратона, который, естественно, менее плотный, чем окружающая мантия.
«Они похожи на куски дерева, плавающие в воде», - говорит Фаул. «Кратоны немного менее плотные, чем их окружение, поэтому они не погружаются обратно в Землю, а остаются плавать на поверхности. Именно так они сохраняют самые старые породы. алмаз, чтобы кратоны были устойчивыми и не тонули."
В некотором смысле, Фол говорит, что кратонные корни, частично состоящие из алмаза, имеют смысл. Алмазы выкованы в условиях высокого давления и высокой температуры недр Земли и приближаются к поверхности только благодаря вулканическим извержениям, которые происходят каждые несколько десятков миллионов лет. Эти извержения вырезают геологические «трубки», сделанные из породы, называемой кимберлит (названной в честь города Кимберли в Южной Африке, где были обнаружены первые алмазы в породе этого типа). Алмаз вместе с магмой из недр Земли может извергаться через кимберлитовые трубки на поверхность Земли.
По большей части кимберлитовые трубки были обнаружены на краях кратонных корней, например, в некоторых частях Канады, Сибири, Австралии и Южной Африки. Тогда было бы логично, если бы кратонические корни содержали в себе немного алмаза.
«Это косвенные улики, но мы собрали их по кусочкам», - говорит Фол. «Мы рассмотрели все возможные варианты со всех сторон, и это единственное, что осталось в качестве разумного объяснения».