Forskere kaster lys over kulstof, der falder ned i den dybe Jord

At undersøge forholdene i Jordens indre er afgørende ikke kun for at give os et vindue tilbage til Jordens historie, men også for at forstå det nuværende miljø og dets fremtid.

Dette studie, udgivet i Naturkommunikation , tilbyder en forklaring på kulstofs nedstigning i den dybe Jord. "Stabilitetsregionerne for karbonater er nøglen til at forstå den dybe kulstofcyklus og den dybe jords rolle i det globale kulstofkredsløb." siger Leonid Dubrovinsky, fra University of Bayreuth.

Det er her ESRF, den europæiske synkrotron i Grenoble, Frankrig. kommer ind. "De intense røntgenstråler fra ESRF giver os adgang til de ekstreme forhold i hele Jordens kappe." understreger Valerio Cerantola, hovedforfatter, tidligere ph.d.-studerende ved University of Bayreuth og nu postdoc ved ESRF.

I det sidste århundrede, den hurtige stigning i mængden af ​​CO2 i atmosfæren sammen med de observerede klimaændringer har i stigende grad fokuseret forskernes opmærksomhed på kulstofkredsløbet og dets udvikling på jordens overflade. Kulstofkredsløbet strækker sig også under overfladen:Nylige vurderinger lokaliserer op til 90 % af Jordens kulstofbudget i Jordens kappe og kerne. På grund af den dynamiske karakter af tektoniske pladebevægelser, konvektion og subduktion, der sker en konstant genanvendelse af kulstof mellem Jordens overflade og dens dybe indre.

I dette studie, forskerholdet fokuserede på karbonatfaser, som er et af de vigtigste kulstofholdige mineraler i den dybe kappe. Carbonater er en gruppe af mineraler, der indeholder carbonation (CO32-) og et metal, såsom jern eller magnesium. Forskerne studerede adfærden af ​​et rent jerncarbonat, FeCO3 (kaldet siderit), ved ekstreme temperatur- og trykforhold, der dækker hele Jordens kappe, betyder over 2500 K og 100 GPa, hvilket svarer til cirka en million gange det atmosfæriske tryk.

"Dette jerncarbonat er af særlig interesse på grund af dets stabilitet ved lavere kappeforhold på grund af spinovergang. Desuden er krystalkemien i højtrykscarbonaterne dramatisk forskellig fra den ved omgivende betingelser." forklarer Elena Bykova, fra University of Bayreuth.

For at studere stabiliteten af ​​FeCO3, forskerholdet udførte højtryks- og højtemperatureksperimenter ved tre ESRF-strålelinjer:ID27, ID18 og ID09a (nu ID15b). "Kombinationen af ​​de mange teknikker gav os unikke datasæt, som i sidste ende gjorde det muligt for os at afsløre nye C-bærere inde i den dybe Jord og vise mekanismen bag deres dannelse," siger Cerantola. En eksperimentel kørsel blev udført ved beamline 13ID-D ved APS.

Ved opvarmning af FeCO3 til Jordens geotermiske temperaturer ved tryk op til omkring 50 GPa, FeCO3 dissocierede delvist og dannede forskellige jernoxider. Ved højere tryk, over ~75 GPa, forskerne opdagede to nye forbindelser - tetrairon (III) orthocarbonat, Fe43+C3O12, og dijern (II) dijern (III) tetracarbonat, Fe22+Fe23+C4O13 (figur 1). ?

"Der var nogle teoretiske forudsigelser, men hidtil har eksperimentel information om strukturer af højtrykscarbonater været for begrænset (og faktisk kontroversiel) til at spekulere om carbonatkrystalkemi. Vores data viser, at mens krystalstrukturen af ​​Fe22+Fe23+C4O13 kunne findes i silikater, ingen analoger af Fe43+C3O12 findes i naturen." understreger Bykova.

De fandt også ud af, at en fase, tetracarbonatet Fe4C4O13, viser hidtil uset strukturel stabilitet og holder sin struktur selv ved tryk langs hele geotermen til dybder på mindst 2500 km, som er tæt på grænsen mellem kappen og kernen. Det viste således, at selvoxidations-reduktionsreaktioner kan bevare carbonater i jordens nedre kappe? (Figur 1, a og b). "Undersøgelsen viser vigtigheden af ​​oxidations- og reduktionsreaktioner (redox) i det dybe kulstofkredsløb, som uundgåeligt er forbundet med andre flygtige kredsløb såsom oxygen." understreger Catherine McCammon, fra University of Bayreuth.