Алмазы указали на лед, который находится глубоко под землей

Глубоко в жарком внутреннем мире планеты находится лед. Форма кубического льда, найденная в алмазах, предлагает первый прямой вывод о том, что в мантии на глубине более 610 километров находится вода.

Этот лед, идентифицированный его кристаллической структурой и называемый льдом VII, не существует на поверхности Земли. Он формируется только при давлениях более 24 гигапаскалей, что соответствует глубинам между 610 и 800 километрами, сообщают исследователи 8 марта в Science. Его присутствие в бриллиантах предполагает, что в переходной зоне между верхней и нижней мантией и даже в верхней части нижней мантии имеется жидкость, богатая водой.

Когда плиты земной коры погружаются в слой мантии ниже, они переносят с собой океанскую воду. Вопрос о том, насколько глубоко перемещается вода, является давним вопросом. Исследователи подозревали, что в глубокой мантии существует обильная водная жидкость, переправленная там слябами, несущими богатые водой минералы, которые выделяют воду, когда они достигают переходной зоны. Но ученые ранее не обнаруживали прямых доказательств наличия этой воды.

Именно там появляются алмазы. Алмазы формируются при высоких температурах и давлениях, кристаллизуясь в карманах, богатых минеральным карбонатом, перед тем, как их вынесет на поверхность извергающаяся магма. Во время формирования кристаллы алмаза могут включать в себя небольшое количество жидкости или породы из их окружения. Эти примеси представляют собой крошечные капсулы мантии.

Оливер Цунер, минералог из Университета Невады, Лас-Вегас, и его коллеги решили изучить алмазные включения, но они при этом не искали лед. Они охотились за признаками молекулярной формы углекислого газа, что могло бы помочь выявить признаки циклирования углерода из слябов в мантию. Исследователи использовали ряд методов, включая рентгеновскую дифракцию, инфракрасную спектроскопию и рентгеновскую флуоресценцию, чтобы попытаться определить состав включений в трех алмазах: один из Китая и два из южной части Африки.

Вместо углекислого газа команда увидела отчетливую картину в том, как некоторые рентгеновские лучи рассеялись, когда они проходили через алмаз. Этот рисунок указывал на лед-VII. Наличие этой чрезвычайно спресованной формы льда было мощным ключом к пониманию глубины, на которой должен был образоваться алмаз. Алмазы также содержали отдельные включения жидкостей, богатых некоторыми солями, такими как кальцит магния и галит, а также богатых углеродом жидкостей.

Богатые водой жидкости в глубине мантии могут быть важны для управления циркуляцией, которая подпитывает движения тектонических плит и извержения вулканов. Присутствие воды может облегчить плавление горных пород, понижая температуру плавления горной породы под давлением. И жидкости могут помочь перераспределить тепло внутри мантии.

Более того, некоторые крупные теплогенерирующие радиоактивные элементы, такие как калий, торий и уран, не легко вписываются в жесткие кристаллические структуры минералов, поэтому предпочитают расплавленную породу, когда она доступна. «Вам просто нужно немного жидкости, и они переходят в расплав», говорят ученые.

В исследовании также возникла еще одна загадка. Флюидные включения в алмазах, происходящих на более мелких глубинах, возможно, от 150 до 200 километров ниже поверхности, содержат смесь воды, соли и карбонатов. Но Цунер и его коллеги обнаружили, что в глубоких алмазах включения секвестрируются индивидуально: лед в одном включении, карбонаты в другом, соли в третьем. «Мы были удивлены, что они были все отдельными, а не встречались вместе», — говорит Цунер.

Больше информации: O. Tschauner et al. Ice-VII inclusions in diamonds: Evidence for aqueous fluid in Earth’s deep mantle. Science. Vol. 359, March 9, 2018, p. 1136. doi: 10.1126/science.aao3030.