Ржавеющее земное ядро может выделять алмазы на границе с мантией

Самый большой резервуар углерода на Земле — вовсе не биосфера, а земное ядро. Оно состоит из железо-никелевого расплава, в котором растворены легкие элементы, склонные переходить из скальной породы в состав железа. В первую очередь это сера, кремний и углерод, а так же кислород и водород. По оценкам, в ядре содержится около девяти десятых всего углерода Земли.

Считалось, что углерод присутствовал в земном ядре с самого момента его образования и надежно запечатан в нем. Плотность металлического расплава ядра вдвое выше, чем у минералов нижней мантии Земли, и смешивания не происходит — как между водой и застывшим поверх нее воском.

Ученые из Аризонского государственного университета в США (Arizona State University) во главе с Бьеонгкваном Ко (Byeongkwan Ko) поставили 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.

Исследователи исходили из предположения, что в нижней мантии Земли может присутствовать свободная вода (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.

Исследователи имитировали эту «встречу», помещая воду и карбид железа Fe3C (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.

Изображение крупинки цементита в водной среде внутри ячейки с алмазными наковальнями. Стрелками указаны «проржавевшие» участки, в которых рентгеновская дифракция показала наличие микроскопических алмазов. / © Arizona State University.

Оказалось, что железо вступает в реакцию с водой, но «ржавление» земного ядра отличается от коррозии металлоконструкций на земной поверхности. Химия высоких давлений и температур может быть очень непохожа на привычную нам.

На поверхности ржавчина состоит из окислов и гидроксидов железа в высокой степени окисления (+3). В ядре кислород и водород воды полностью входят в состав железа, превращая его в оксид FeO с более низкой степенью окисления (+2), и гидриды FeHx. При нормальных условиях оксиды и гидриды обычно несовместимы друг с другом: они реагируют в противоположном направлении, образуя исходный металл и воду.

В продуктах этой реакции углерод растворяется гораздо меньше, чем в самом железе, и он вытесняется наружу. При обычном ржавлении углерод в стали окисляется и переходит в карбонаты, но на границе ядра, в отсутствие кислорода, он выделяется в свободном виде. Огромное давление и температура превращают его в алмаз.

Авторы исследования предполагают, что выявленный ими механизм экстракции углерода из ядра в мантию может вносить заметный вклад в круговорот углерода в недрах Земли и объяснить повышенное его содержание в мантии. Кроме того, они надеются, что скопление алмазов на границе земного ядра можно будет обнаружить на сейсмических данных. Скорость звука в алмазе, при атмосферном давлении равная 12 километрам в секунду, более чем вдвое превышает скорость звука в горных породах, и обогащенные алмазом породы могут быть заметны на сейсмограммах как области аномально высокой скорости сейсмических волн.

На границе ядра, впрочем, разница в скоростях звука может оказаться меньше, поскольку скорость звука растет при сжатии материала, а горные породы сжимаются лучше, чем алмаз. Скорость продольных волн в обычных породах нижней мантии достигает 14 километров в секунду. Кроме того, геологи пока обнаруживали лишь области пониженной скорости сейсмических волн на границе ядра, а большинство найденных алмазов — родом из верхней и средней мантии.