At dykke ind i Jordens indre hjælper videnskabsmænd med at opklare hemmeligheder bag diamantdannelse

Forståelse af det globale kulstofkredsløb giver forskerne vigtige spor om planetens beboelighed.

Det er grunden til, at Jorden har et stabilt klima og en atmosfære med lavt kuldioxidindhold sammenlignet med Venus, for eksempel, som er i en løbsk drivhustilstand med høje overfladetemperaturer og en tyk kuldioxidatmosfære.

En stor forskel mellem Jorden og Venus er eksistensen af ​​aktiv pladetektonik på Jorden, som gør vores miljø unikt i vores solsystem.

Men atmosfæren, oceaner, og jordskorpen er kun en del af historien. Kappen, som repræsenterer 75% af Jordens volumen, potentielt rummer mere kulstof end alle andre reservoirer tilsammen.

Kulstof - en af ​​de væsentlige byggesten i organisk liv - tages ind i Jordens indre ved subduktion, hvor det drastisk sænker smeltepunktet for den faste kappe, dannelse af kulsyreholdige smelter (kulstofrige smeltede sten) i den lavvandede kappe, brændstof til overfladevulkaner. Carbonatmineraler kan også transporteres meget dybere ind i jorden, når den nederste kappe, men hvad der så sker er usikkert.

At besvare det spørgsmål er fyldt med udfordringer - forholdene dybt inde i Jorden er ekstreme, og prøver fra kappen er sjældne. Løsningen er at genskabe disse forhold i laboratoriet ved hjælp af sofistikeret teknologi.

Nu har et team af eksperimentelle geoforskere fra University of Bristol gjort netop det. Deres resultater, offentliggjort open access i Bogstaver for jord- og planetvidenskab , afdække nye spor om, hvad der sker med karbonatmineraler, når de transporteres ind i kappen via subduktion af havskorpen (hvor en af ​​Jordens tektoniske plader glider ned under en anden).

Deres fund har afdækket en barriere for subduktion af carbonat ud over dybder på omkring 1, 000 km, hvor det reagerer med silica i havskorpen for at danne diamanter, der er lagret i den dybe Jord over geologiske tidsskalaer.

Dr. James Drewitt fra School of Earth Sciences forklarer:"Forbliver carbonatmineraler stabile gennem jordens nedre kappe, og hvis ikke, hvilke tryk/temperaturændringer skal der til for at udløse reaktioner mellem mineralerne og hvordan ser de ud? Det er de spørgsmål, vi ønskede at finde svarene på - og den eneste måde at få disse svar på var at gengive forholdene i Jordens indre."

Dr. Drewitt og hans team udsatte syntetiske karbonatsten for meget høje tryk og temperaturer, der kan sammenlignes med dybe jordforhold på op til 90 GPa (ca. 900, 000 atmosfærer) og 2000 grader C ved hjælp af en laseropvarmet diamantamboltcelle. De fandt ud af, at carbonat forbliver stabilt op til 1 dybder, 000-1, 300 km, næsten halvvejs til kernen.

Under disse forhold reagerer carbonat derefter med omgivende silica og danner et mineral kendt som bridgmanit, som danner det meste af Jordens kappe. Kulstoffet frigivet ved denne reaktion er i form af fast kuldioxid. Da den varme omgivende kappe til sidst opvarmer den subducerede plade, denne faste kuldioxid nedbrydes og danner superdybe diamanter.

Dr. Drewitt tilføjer:"Til sidst kunne de superdybe diamanter returneres til overfladen i opadstigende kappefaner, og denne proces kunne repræsentere en af ​​kilderne til superdybe diamanter, som vi finder ved overfladen, og som giver det eneste direkte bevis, vi har for sammensætningen af ​​den dybe jord.

"Dette er spændende, fordi de dybeste mennesker nogensinde har været i stand til at bore er omkring 12 km, mindre end halvdelen af ​​dybden af ​​jordskorpen. Dette blegner i sammenligning med den massive skala af Jordens kappe, som strækker sig til næsten 3, 000 km dybde."

Holdet brugte en diamantamboltcelle til at generere tryk svarende til dem, der blev fundet i disse dybder, indlæsning af prøver under et mikroskop i et trykkammer boret ud af en metalpakning, som derefter komprimeres mellem perlekvaliteten, brillantslebne diamantambolte. Krystalstrukturen af ​​disse prøver blev derefter analyseret ved hjælp af røntgendiffraktion på det britiske synkrotronanlæg i Oxfordshire.

Dr. Drewitt planlægger nu at anvende disse højtryks- og højtemperatureksperimenter sammen med avancerede computersimuleringsteknikker på andre mineraler og materialer, tilføjer:"Såvel som kulstof, der er potentielt flere oceaners vand, der transporteres dybt ind i kappen, og når det frigives, vil dette fremkalde smeltning af Jordens øvre og nedre kappe.

"Imidlertid, vi kan ikke tilstrækkeligt teste eller forstå nuværende modeller af den dynamiske opførsel af denne vandrige smeltede sten, fordi vi ikke kender deres sammensætning eller deres fysiske egenskaber. Eksperimenterne under ekstreme forhold og avancerede computersimuleringer, som vi i øjeblikket arbejder på, hjælper med at løse disse problemer. "