Læsning mellem diamanterne:Forskere udvider den dybe kulstofhistorie

De høje temperaturer og tryk i jordens kappe skaber kulstofrige mineraler kendt som karbonater til diamant. Men mindre er kendt om skæbnen for karbonater, der rejser endnu dybere under jorden - dybder, hvorfra ingen prøve nogensinde er blevet genvundet.

Nu, Michigan State Universitys Susannah Dorfman og hendes team afdækker et svar med laboratorieværktøjer, der efterligner disse ekstreme forhold.

"Det, vi var interesserede i, er, hvornår er kulstof ikke diamant?" tilføjede Dorfman. I et papir for nylig offentliggjort i Naturkommunikation , forskere i Dorfman's Experimental Mineralogy Lab ved MSU omdefinerede de betingelser, hvorunder karbonater kan eksistere i jordens nedre kappe, udvide vores forståelse af det dybe kulstofkredsløb og Jordens udvikling.

"Cirkulationen af ​​kulstof og mineraler fra jordens overflade gennem subduktion til bunden af ​​jordens kappe har fundet sted i milliarder af år, sagde Dorfman, adjunkt ved Institut for Jord- og Miljøvidenskab, eller EES, i College of Natural Science og medforfatter til papiret. "Vores laboratorium spørger, 'Hvordan kan vi bruge eksperimenter til at forudsige, hvordan det ser ud og følge det kemisk?'

Under subduktion, overfladekarbonater - tænk på kalksten og koralskeletter - tager en tur på kolde stenplader, der dykker under jordskorpen gennem tektoniske bevægelser, der er drevet af kappens varme. Nogle karbonater smelter og spys tilbage til atmosfæren af ​​vulkaner. Nogle rejser længere ned og bliver presset til diamanter.

Men nogle karbonater gør det endnu dybere, mod grænsen mellem planetens kappe og kerne næsten 1, 800 miles under overfladen. Dorfmans team var interesseret i at lære deres skæbne at kende. Holdets tidligere forskning viste, at nogle karbonater faktisk kunne undslippe at blive smeltet eller forvandlet til diamanter i en varm, iltfattigt miljø som kerne-kappe-grænsen, men ingen vidste, hvilken form de ville tage i en rigtig klippe indtil nu.

I undersøgelsen, Dorfman og medforfatter Mingda Lv, en femte års EES-doktorand, udført meget komplekse eksperimenter for at syntetisere kappesten og belyse skæbnen for disse dybt subducerede karbonater for første gang.

"Til dette projekt, vi ønskede at vide, hvordan carbonat ville eksistere sammen med størstedelen af ​​kappesilikater, når det subduceres til den nedre kappe, " sagde Lv. "Vi designede eksperimenterne for at udvide tryk- og temperaturforholdene på disse mineraler til høje regimer, simulerer forhold ved jordens kerne-kappegrænse."

Deres eksperimenter krævede en enhed lavet af materiale med den højeste tryktolerance af noget stof på Jorden - diamanter.

"Diamantamboltcellen, selvom det er noget man kan holde i hånden, giver os det allerhøjeste tryk i ethvert laboratorium uden brug af eksplosioner, "Dorfman sagde. "Alt hvad vi ved om, hvad der foregår i midten af ​​planeter, afhænger af denne enhed."

Dorfman og Lv samlede med succes tynde carbonat- og silikatskiver som en sandwich mellem diamantamboltcellens to diamanter. Derefter, de klemte skiverne sammen som en mineralsk panini og brugte kraftige lasere til at opvarme dem til skyhøje temperaturer på op til 4, 500 F.

Resultatet var noget, ingen troede var muligt, en syntetiseret form for højt tryksat calciumkarbonatsten, der kunne eksistere under lavere kappeforhold.

"Før denne undersøgelse, tanken var, at du aldrig skulle have calciumcarbonat i den dybe jord, men kun i et lavvandet miljø, hvor det ikke er nået ned til store dybder, " sagde Dorfman. "Vores eksperimenter viser, at mod bunden af ​​kappen, den kemiske reaktion ændrer retning og bytter mineraler som partnere i squaredans - magnesium og calcium bytter deres carbonat- og silikatpartnere og producerer calciumcarbonat og magnesiumcarbonat."

Størrelsen på deres nysyntetiserede sten var kun bredden af ​​et menneskehår, og de individuelle krystaller, der udgør klippen, var op til 1, 000 gange mindre. For at læse mellem diamanterne, Dorfman og Lv havde brug for den skarpeste kniv og det skarpeste lys, de kunne finde.

De brugte den ekstremt kraftige partikelacceleratorteknologi på Argonne National Lab i Illinois til at fokusere røntgenlys til et lille punkt og belyse det, de havde skabt. Derefter, med hjælp fra samarbejdspartnere ved Institute of Earth Physics i Paris og University of Michigan's Center for Materials Characterization, de brugte ionstråler til at skære den nye sten i tværsnit.

Endelig, ved at bruge de avancerede elektronmikroskopiteknikker på MSU's Center for Advanced Microscopy, de karakteriserede med succes elementalfordelingen af ​​deres genvundne prøver.

"Uden disse laboratorier, vi ville aldrig have været i stand til direkte at observere, hvad der foregår i vores eksperimenter, " sagde Lv. "Vores samarbejde med disse faciliteter er et højdepunkt i undersøgelsen."

"Vi ved, at langt størstedelen af ​​jordens kulstof ikke er oppe i atmosfæren, det er i det indre, men vores bud på hvor meget og hvor afhænger mest af målinger af kemiske reaktioner, " tilføjede Dorfman. "Mingda Lvs arbejde viser, at calciumcarbonat kan være stabilt under kappeforhold og giver en ny mekanisme, der skal tages i betragtning, når vi laver modeller af kulstofkredsløbet inde i jorden."