В составе железо-никелевого сплава, формирующего земное ядро, присутствует значительное количество растворенного углерода. Исследователи определили механизм, способствующий переходу углерода в мантию и его преобразованию в алмазы.
Литосфера, содержащая огромные запасы углерода в виде карбонатов и органических веществ, погребенных в осадочных породах земное ядро. Ядро Земли формируется из расплавленного железа и никеля, в котором растворены легкие элементы, имеющие тенденцию переходить из горных пород в состав железа. К ним относятся, прежде всего, сера, кремний, углерод, а также кислород и водород. По предварительным расчетам, в ядре содержится приблизительно девять десятых всего углерода, присутствующего в земной коре.
Ранее полагалось, что углерод присутствует в земном ядре с момента его формирования и надежно зафиксирован в нем. Плотность металлического расплава ядра в два раза превышает плотность минералов, составляющих нижнюю мантию Земли, что препятствует их перемешиванию, подобно тому, как вода не смешивается с воском, образовавшимся на ее поверхности.
В рамках исследования, проведенного учеными из Аризонского государственного университета (Arizona State University) в США под руководством Бьеонгквана Ко (Byeongkwan Ko), был проведен эксперимент, в котором воспроизвели взаимодействие материалов на границе нижней мантии и ядра. Они обнаружили процесс, который может «извлекать» углерод из ядра и перемещать его в мантию.
Ученые предполагали возможность существования свободной воды в нижней мантии Земли (в виде сверхкритического флюида). В процессе субдукции океаническая земная кора, насыщенная водой, погружается в мантию, и ее фрагменты могут достигать границы ядра. При температуре нижней мантии, достигающей почти четырех тысяч градусов Цельсия, даже самые устойчивые гидратированные минералы теряют способность удерживать воду в своем составе. Она диффундирует сквозь горные породы, «просачивается» к границе ядра и вступает в контакт с железом.
Для моделирования этого события ученые поместили воду и карбид железа Fe 3C (металлурги знают его как цементит, входящий в состав чугуна) в алмазную наковальню и подвергая ее содержимое давлению и температуре, соответствующим границе земного ядра. Получившиеся продукты реакции они анализировали с помощью рентгеновской дифракции на синхротронном источнике в Аргоннской национальной лаборатории, определяя кристаллические структуры и идентифицируя химические соединения по структурам, как по отпечаткам пальцев.
Ученые выяснили, что железо взаимодействует с водой, однако процесс «ржавления» ядра Земли существенно отличается от коррозии металлических конструкций, наблюдаемой на поверхности планеты. Химические реакции в условиях экстремального давления и температуры могут кардинально отличаться от тех, что мы привыкли видеть.
На поверхности ржавчина представляет собой соединения железа, состоящие из окислов и гидроксидов с высокой степенью окисления (+3). Внутри ржавого слоя кислород и водород воды полностью включаются в структуру железа, образуя оксид FeO с более низкой степенью окисления (+2) и гидриды FeH x. В обычных условиях оксиды и гидриды, как правило, не взаимодействуют, поскольку при их смешивании происходит реакция, приводящая к образованию исходного металла и воды.
В продуктах данной реакции растворимость углерода значительно ниже, чем в железе, и он перемещается к внешней границе. В процессе обычного ржавления углерод в стали окисляется и образует карбонаты, однако вблизи ядра, где отсутствует кислород, он высвобождается в свободной форме. Высокое давление и температура способствуют его превращению в алмаз.
Исследователи полагают, что обнаруженный ими способ извлечения углерода из ядра в мантию способен оказывать существенное влияние на циркуляцию углерода в недрах Земли и объяснять повышенную концентрацию углерода в мантии. Также они рассчитывают, что скопление алмазов на границе земного ядра станет видимым на сейсмических данных. Скорость звука в алмазе, составляющая 12 километров в секунду при атмосферном давлении, значительно превышает скорость звука в горных породах, и породы, богатые алмазами, могут проявляться на сейсмограммах как области с аномально высокой скоростью распространения сейсмических волн.
В области границы между ядром и мантией разница в скорости звука может быть незначительной. Это объясняется тем, что при сжатии материал становится более плотным, а горные породы сжимаются эффективнее, чем алмазы. Продольные волны в породах нижней мантии распространяются со скоростью до 14 километров в секунду. На текущий момент геологи зафиксировали лишь участки с пониженной скоростью сейсмических волн на границе ядра, а большинство найденных алмазов происходят из верхних и средних слоев мантии.