Diamanter og rust ved jordens kerne-kappe-grænse

Stål ruster af vand og luft på jordens overflade. Men hvad med dybt inde i Jordens indre?

Jordens kerne er det største kulstoflager på Jorden - omkring 90% er begravet der. Forskere har vist, at den oceaniske skorpe, der sidder på toppen af ​​tektoniske plader og falder ind i det indre, gennem subduktion, indeholder vandholdige mineraler og nogle gange kan falde helt ned til kerne-kappegrænsen. Temperaturen ved kerne-kappegrænsen er mindst dobbelt så varm som lava og høj nok til, at vand kan frigives fra de vandholdige mineraler. Derfor kan en kemisk reaktion, der ligner rustende stål, forekomme ved Jordens kerne-kappe-grænse.

Byeongkwan Ko, en nylig Arizona State University Ph.D. kandidat, og hans samarbejdspartnere offentliggjorde deres resultater om kerne-kappe-grænsen i Geophysical Research Letters . De udførte eksperimenter ved Advanced Photon Source ved Argonne National Laboratory, hvor de komprimerede jern-carbon-legering og vand sammen til det tryk og den temperatur, der forventes ved Jordens kerne-kappe-grænse, og smeltede jern-carbon-legeringen.

Forskerne fandt ud af, at vand og metal reagerer og danner jernoxider og jernhydroxider, ligesom hvad der sker med rust på jordens overflade. Imidlertid fandt de ud af, at for betingelserne for kerne-kappegrænsen kommer kulstof ud af den flydende jern-metallegering og danner diamant.

"Temperaturen ved grænsen mellem silikatkappen og den metalliske kerne på 3.000 km dybde når til omkring 7.000 F, hvilket er tilstrækkeligt højt til, at de fleste mineraler kan miste H₂ O fanget i deres atomare skalastrukturer," sagde Dan Shim, professor ved ASU's School of Earth and Space Exploration. "Faktisk er temperaturen høj nok til, at nogle mineraler burde smelte under sådanne forhold."

Fordi kulstof er et jernelskende grundstof, forventes der at eksistere betydeligt kulstof i kernen, mens kappen menes at have relativt lavt kulstofindhold. Forskere har dog fundet ud af, at der findes meget mere kulstof i kappen end forventet.

"Ved det forventede tryk for Jordens kerne-kappe-grænse, ser det ud til, at brintlegering med jernmetalvæske reducerer opløseligheden af ​​andre lette elementer i kernen," sagde Shim. "Derfor falder opløseligheden af ​​kulstof, som sandsynligvis findes i Jordens kerne, lokalt, hvor brint trænger ind i kernen fra kappen (gennem dehydrering). Den stabile form for kulstof ved tryk-temperaturbetingelserne for Jordens kerne-kappe-grænse er diamant Så kulstoffet, der undslipper fra den flydende ydre kerne, ville blive til diamant, når det trænger ind i kappen."

"Carbon er et væsentligt element for liv og spiller en vigtig rolle i mange geologiske processer," sagde Ko. "Den nye opdagelse af en kulstofoverførselsmekanisme fra kernen til kappen vil kaste lys over forståelsen af ​​kulstofkredsløbet i Jordens dybe indre. Dette er endnu mere spændende i betragtning af, at diamantdannelsen ved kerne-kappe-grænsen kunne have været foregår i milliarder af år siden indledningen af ​​subduktion på planeten."

Kos nye undersøgelse viser, at kulstof, der lækker fra kernen ind i kappen ved denne diamantdannelsesproces, kan levere nok kulstof til at forklare de forhøjede kulstofmængder i kappen. Ko og hans samarbejdspartnere forudsagde også, at diamantrige strukturer kan eksistere ved grænsen mellem kerne og kappe, og at seismiske undersøgelser måske opdager strukturerne, fordi seismiske bølger skulle bevæge sig usædvanligt hurtigt for strukturerne.

"Grunden til, at seismiske bølger bør forplante sig usædvanligt hurtigt gennem diamant-rige strukturer ved kerne-kappe-grænsen, er, fordi diamant er ekstremt inkompressibel og mindre tæt end andre materialer ved kerne-kappe-grænsen," sagde Shim.

Ko og team vil fortsætte med at undersøge, hvordan reaktionen også kan ændre koncentrationen af ​​andre lette elementer i kernen, såsom silicium, svovl og oxygen, og hvordan sådanne ændringer kan påvirke mineralogien i den dybe kappe. + Udforsk yderligere

Tunge jernisotoper siver fra Jordens kerne