Углерод украсил мантию

Круговорот углерода в природе затрагивает глубокие слои мантии

Несовершенные алмазы не годятся для ювелирных бриллиантов, но для учёных они оказались драгоценнейшей находкой. Анализ состава посторонних включений позволил исследователям подтвердить несколько геологических гипотез и сделать вывод о том, что круговорот углерода в природе оставляет следы даже в самых глубоких слоях мантии.

Группа учёных из Университета Бристоля в Великобритании, Университета Бразилии и вашингтонского Института Карнеги исследовала несколько сверхглубинных алмазов, добытых на кимберлитовом месторождении «Жуина-5» в Бразилии. На примере этих уникальных камней им удалось доказать, что углерод с поверхности Земли достигает нижних слоёв земной мантии.

Бесценные алмазы

Группа месторождений Жуина в Бразилии хорошо известна геохимикам — это основной и самый богатый источник сублитосферных алмазов. Большинство добываемых в мире алмазов не содержат включений и образуются на глубинах, не превышающих 200 км. Именно за такими камнями, имеющими ювелирную ценность, охотятся международные алмазные корпорации.

На алмазном поле конфликт интересов науки и бизнеса удачным образом отсутствует.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "3760025",
    "incutNum": 1,
    "repl": "<1>:{{incut1()}}",
    "uid": "_uid_3771037_i_1"
}

Учёным наиболее интересны совсем другие алмазы — так называемые сверхглубинные, которые содержат дополнительные включения посторонних веществ. Эти «загрязнения» при внимательном изучении могут рассказать о процессах, сопутствующих образованию минералов и их дальнейшей истории.

Алмазные образцы, которые попали в руки профессора Университета Бристоля Майкла Уолтера и его коллег, оказались уникальной находкой. Химический и фазовый состав их базальтовых включений, крошечных крупинок диаметром в 1—2 сотые миллиметра, свидетельствует о том, что они образовались при таких температурах и давлениях, которые на Земле можно обнаружить лишь в нижней мантии. То есть на глубине не менее 660 км.

Слишком лёгкий углерод

Однако изотопный состав атомов углерода, из которых состоит алмаз, рассказал учёным совсем другую историю. Большое количество лёгких изотопов в четырёх из шести исследованных образцов однозначно свидетельствовало, что этот углерод имеет более «поверхностное» происхождение. Получается, что поверхностный углерод каким-то образом проник в нижнюю мантию и уже там превратился в алмазы.

Ученым предстояло выяснить, как такое могло произойти, и на помощь им пришла давно существующая, но до сих пор не подтверждённая гипотеза.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "2898390",
    "incutNum": 2,
    "picsrc": "Строение Земли // natashakolp.rusedu.net",
    "repl": "<2>:{{incut2()}}",
    "uid": "_uid_3771037_i_2"
}

«Углерод, составляющий другие алмазы сверхглубин, из нижней мантии, обычно совпадает с углеродом мантии по (изотопному. — «Газета») составу, — рассказал один из авторов работы Стивен Шири из Института Карнеги. — Эти же сверхглубокие алмазы содержат значительно меньше углерода-13, что больше всего похоже на состав органических компонентов, обнаруженных в других океанических плитах».

Кладбище тектонических плит

Существует гипотеза о том, что на стыке океанические тектонические плиты при определённых условиях могут «утопать» в мантии, погружаясь на большие глубины, вплоть до нижней мантии. Это предположение косвенно подтверждалось сейсмологическими исследованиями и геологическими моделями. Однако никаких прямых доказательств этой гипотезы не было, более того, никто не знал, что происходит с материалом «утонувшей» океанической плиты со временем: как изменяются составляющие её породы под воздействием огромных температур и давлений и выходят ли они когда-нибудь снова на поверхность Земли.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "3761733",
    "incutNum": 3,
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_3771037_i_3"
}

Оказалось, что да, выходят. Как минимум часть углерода, которая, возможно, имела даже органическое происхождение и, как большинство углеродсодержащих карбонатных и других осадков на морском дне, превращается в нижней мантии в алмазы.

Эта часть углерода затем в составе мантийного плюма — восходящего потока твёрдых частиц в жидкой мантии — поднимается сквозь толщу нижней и верхней мантии на поверхность к литосфере. А уже там при благоприятном для геологов стечении обстоятельств совместно с другими веществами и минералами «прорывается», образуя вертикальную кимберлитовую трубку.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "3750709",
    "incutNum": 4,
    "repl": "<4>:{{incut4()}}",
    "uid": "_uid_3771037_i_4"
}

Тот факт, что исследованные учёными алмазы поднимались на поверхность сквозь толщу мантии, преодолев расстояние во много сотен километров, также имеет физико-химические свидетельства. При образовании минералов состав базальтовых включений должен был быть однородным. При продвижении же наверх, когда значительно менялись окружающие камни температура и давление, базальт расслоился на минералы различного фазового и химического состава, хотя суммарный атомный состав их не изменился — обмену с окружающей средой мешали сверхпрочные и плотные алмазные «стенки».

Углеродная история

Эта работа, опубликованная в свежем выпуске Science Express (http://www.sciencemag.org/content/early/2011/09/14/science.1209300), — первое свидетельство того, что углеродный цикл Земли затрагивает не только атмосферу, океаны и литосферу, но и мантию. Более того, даже самые смелые предположения касались лишь верхней мантии.

Но теперь мы знаем: углеродная история Земли происходит и в глубинах нашей планеты.

«Это исследование показывает значение углеродных циклов в масштабе всей планеты, связывая химические и биологические процессы, которые имеют место на поверхности и в океане и до самых далёких глубин внутри Земли, — прокомментировал работу международной группы геохимиков Ник Виджинтон, ответственный редактор Science. — Результаты такого рода позволяют нам гораздо шире взглянуть на планету Земля как на интегрированную, динамичную систему».