Углерод играет жизненно важную роль в геологических процессах, происходящих в недрах Земли. Хотя большая часть углерода на нашей планете находится в ее ядре, неясно, может ли углерод ядра быть перемещен в мантию из-за отсутствия знаний о возможном механизме переноса углерода на границе ядра Земли и мантии.
В новом исследовании группа ученых-геологов провела эксперименты, воспроизведя экстремальные условия давления и температуры на границе ядра и мантии. Их результаты показывают, что вода может реагировать с металлическим железным ядром и высвобождать углерод в виде алмаза, что указывает на важную связь между циклами воды и углерода на Земле. Кроме того, их результаты предсказывают возможное существование алмазов в некоторых областях самой глубокой мантии.
«Углерод является важным элементом жизни и играет важную роль во многих геологических процессах», — говорят ученые. «Новое открытие механизма переноса углерода из ядра в мантию прольет свет на понимание круговорота углерода в недрах Земли».
«Это еще более интересно, учитывая, что формирование алмазов на границе ядра и мантии могло продолжаться в течение миллиардов лет с момента начала субдукции на планете».
В своих экспериментах ученые сжимали железо-углеродный сплав и воду вместе до давления и температуры, ожидаемых на границе ядра и мантии Земли, плавя железо-углеродный сплав.
Они обнаружили, что вода и металл реагируют и образуют оксиды и гидроксиды железа, точно так же, как это происходит при появлении ржавчины на поверхности Земли.
Однако исследователи обнаружили, что для условий границы ядро-мантия углерод выходит из жидкого железометаллического сплава и образует алмаз.
«Температура на границе между силикатной мантией и металлическим ядром на глубине 3000 км достигает примерно 3900 градусов по Цельсию, что достаточно высоко для большинства минералов, чтобы начать терять воду, захваченную в их структурах атомного масштаба», — сказал профессор Дэн Шим, автор исследования.
«На самом деле температура достаточно высока, чтобы некоторые минералы плавились в таких условиях».
Поскольку углерод является элементом, «любящим» железо, ожидается, что в ядре будет существовать значительное количество углерода, в то время как считается, что в мантии содержится относительно мало углерода. Однако геологи обнаружили, что в мантии содержится гораздо больше углерода, чем ожидалось.
«При давлениях, ожидаемых для границы между ядром и мантией Земли, сплав водорода с жидким металлическим железом, по-видимому, снижает растворимость других легких элементов в ядре», — сказал профессор Шим.
«Поэтому растворимость углерода, который, вероятно, существует в ядре Земли, локально уменьшается там, где водород попадает в ядро из мантии (в результате дегидратации)».
«Стабильная форма углерода в условиях давления и температуры на границе ядра и мантии Земли — это алмаз. Таким образом, углерод, выходящий из жидкого внешнего ядра, станет алмазом, когда попадет в мантию».
Текущее исследование показывает, что утечка углерода из ядра в мантию в процессе образования алмазов может дать достаточно углерода, чтобы объяснить повышенное количество углерода в мантии.
Авторы также предсказывают, что на границе ядра и мантии могут существовать структуры, богатые алмазами, и что сейсмические исследования могут обнаружить эти структуры, поскольку сейсмические волны должны распространяться необычно быстро для этих структур.
«Причина, по которой сейсмические волны должны распространяться исключительно быстро через богатые алмазами структуры на границе ядра и мантии, заключается в том, что алмаз чрезвычайно несжимаем и менее плотен, чем другие материалы на границе ядра и мантии», — говорят ученые.
Результаты были опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.