Сплав железа и никеля, составляющий земное ядро, насыщен растворённым углеродом. Учёные обнаружили процесс, способный вызывать выделение углерода в мантии с последующим образованием алмазов.
На Земле наибольшее скопление углерода находится не в живой природе. земное ядроЕго состав представляет собой расплав железа и никеля с растворенными легкими элементами, которые склонны переходить из горных пород в железо. К ним относятся сера, кремний и углерод, а также кислород и водород. Оценки показывают, что в ядре находится около девяти десятых всего земного углерода.
Углерод предположительно находился в земном ядре с его формирования и надежно заключен в нем. Плотность расплава ядра в два раза превышает плотность минералов нижней мантии Земли, поэтому смешивания не происходит, подобно тому, как между водой и застывшим поверх нее воском.
Учёные под руководством Бьеонгквана Ко из Аризонского государственного университета провели эксперимент. воспроизвели Взаимодействие материалов на границе нижней мантии и ядра выявило процесс, который может «извлекать» углерод из ядра и перемещать его в мантию.
Ученые полагают, что в глубокой мантии планеты возможно наличие свободной воды. сверхкритического флюида). В процессе субдукции Заполненная водой океаническая земная кора погружается в мантию, а её части могут достигать границы ядра. При температуре нижней мантии, приближающейся к четырем тысячам градусов Цельсия, даже самые прочные гидратированные минералы не способны удерживать воду. Вода диффундирует сквозь горные породы, «просачивается» к границе ядра и сталкивается с железом.
Учёные воспроизвели это взаимодействие, поместив воду и карбид железа Fe вместе. 3C (металлурги знают его как цементит, входящий в состав чугуна) в алмазную наковальнюПолагая ее под давлением и температурой, соответствующими границе земного ядра, полученные продукты реакции анализировали с помощью рентгеновской дифракции на синхротронном источнике в Аргоннской национальной лаборатории. Определялись кристаллические структуры и идентифицировались химические соединения по структурам, как по отпечаткам пальцев.
Железо взаимодействует с водой, однако процесс «ржавления» земного ядра не идентичен коррозии металлических сооружений на поверхности Земли. Характеристики химических реакций при высоком давлении и температуре могут значительно отличаться от известных нам.
На поверхности ржавчина формируется из окислов и гидроксидов железа с высокой степенью окисления (+3). В сердце ядра кислород и водород воды полностью соединяются с железом, превращая его в оксид FeO с более низкой степенью окисления (+2), а также гидриды FeH. xВ обычных условиях окислы и гидриды обычно несовместимы: взаимодействие приводит к образованию исходного металла и воды.
В продуктах этой реакции углерод растворяется меньше, чем в самом железе, и выходит наружу. При обычном ржавлении углерод в стали окисляется и переходит в карбонаты, а на границе ядра, без кислорода, выделяется свободным. Огромное давление и температура преобразуют его в алмаз.
Исследователи предполагают, что механизм экстракции углерода из ядра в мантию может существенно влиять на круговорот углерода внутри Земли и объяснить его повышенное содержание в мантии. Авторы надеются обнаружить скопление алмазов на границе земного ядра в сейсмических данных. Скорость звука в алмазе при атмосферном давлении равна 12 километрам в секунду, что более чем вдвое превышает скорость звука в горных породах. Обогащенные алмазом породы могут быть заметны на сейсмограммах как области аномально высокой скорости сейсмических волн.
На границе ядра разность скоростей звука может быть меньше, поскольку скорость звука увеличивается при сжатии материала, а горные породы сжимаются лучше, чем алмаз. Скорость продольных волн в обычных породах нижней мантии достигает 14 километров в секунду. Геологи обнаруживали лишь области пониженной скорости сейсмических волн на границе ядра, а большинство найденных алмазов — из верхней и средней мантии.