Углеродный цикл планеты может оказаться не таким глубоким, как думали ученые
Большинство алмазов состоит из углерода, который снова и снова перерабатывается между поверхностью Земли и ее корой. Но алмазы самого глубокого происхождения, такие как знаменитый алмаз надежды, состоят из углерода из отдельного источника: недавно открытого древнего резервуара, спрятанного в нижней мантии Земли.
Химические подсказки в этих сверхглубоких алмазах предполагают, что существует ранее неизвестный предел того, насколько глубоким углеродным циклом Земли является. По словам исследователей, понимание этой части углеродного цикла — того, как и где углерод перемещается внутрь и из недр планеты — может помочь ученым понять изменения климата на планете в течение многих эпох.
Алмазы образуются на разной глубине, прежде чем добраться до поверхности, где они обнаружены. «Большинство знакомых людям алмазов происходят из верхних 250 километров планеты», - говорит Марго Регье, геохимик из Университета Альберты в Эдмонтоне. «Сверхглубокие» алмазы добываются как минимум на 250 километрах под землей, и «они действительно довольно редки», - говорит Регье. Но самыми редкими являются алмазы, которые образуются на глубине 700 километров в нижней части мантии.
«Часто это одни из самых больших, которые вы можете найти, например, алмаз надежды», - говорит Регье. Эти самые глубокие и высоко ценимые бриллианты бесценны и с научной точки зрения, поскольку они открывают редкое окно в нижнюю мантию. Например, крошечные изъяны, сохранившиеся в некоторых алмазах, содержат геологические сокровища: самую глубокую из известных на Земле форм воды или даже некоторые из самых старых сохранившихся материалов на планете.
Источник углерода в этих самых глубоких алмазах оставался загадкой, но ученые задавались вопросом, не произошло ли это в результате субдукции тектонических плит Земли. Когда одна пластина скользит под другой и погружается в мантию, она переносит углерод с поверхности во внутреннюю часть, что является ключевой частью углеродного цикла. Часть углерода в конечном итоге возвращается на поверхность в результате извержения вулканов или в виде алмазов, в то время как часть улавливается в глубокой коре или верхней мантии. Связывание углерода посредством субдукции, возможно, сыграло ключевую роль в создании пространства для накопления кислорода в атмосфере Земли, проложив путь к Великому окислительному событию около 2,3 миллиарда лет назад.
Алмазы и их включения — крошечные кусочки породы, которые встраиваются в кристаллические структуры по мере того, как они образуются, - дают блестящие подсказки к окружающей среде, в которой они образовались. Поэтому Регье и его коллеги исследовали алмазы, которые образовались в коре, верхней и нижней мантии, в поисках химических следов субдуцированной коры. Для этого команда проанализировала изотопы — различные формы элементов — углерода и азота в алмазах, а также изотопы кислорода во включениях.
Относительные количества этих элементарных форм указывают на химический состав магмы, в которой кристаллизовались алмазы. Например, алмазы, которые образовались в коре и верхней мантии, имели включения, обогащенные кислородом-18, что позволяет предположить, что драгоценные камни кристаллизовались из магмы, образовавшейся из субдуцированной океанической коры.
«Все изотопы рассказывают одну и ту же историю по-разному», - говорит Регье. «Углерод, азот и кислород — все они говорят, что погружающиеся плиты способны переносить углерод и подобные элементы на аналогичную глубину в мантии. Но на глубине от 500 до 600 километров большая часть этого углерода теряется через магму, которая поднимается обратно на поверхность, - говорит она. «После этого плиты относительно обеднены углеродом».
Химический состав алмазов с глубины более 660 километров заметно отличался от химического состава более мелких алмазов. Они «образуются по-другому, из углерода, уже хранящегося в мантии», - говорит Регье. «Самые глубокие образцы, должно быть, были [сделаны] из первичного углерода, который никогда не улетал с планеты».
Это открытие также предполагает предел того, насколько глубоко углерод с поверхности может быть захоронен внутри планеты. Одним из следствий этого, по словам Регье, является то, что это ставит под сомнение, смогла ли субдукция похоронить углерод глубоко и на достаточно долгое время, чтобы стать движущей силой Великого события окисления.
Но, по словам Меган Дункан, петролога из Технологического института Вирджинии в Блэксбурге, погружение плит не должно полностью переносить углерод в нижнюю мантию, чтобы изолировать его или оказать глубокое влияние на климат Земли. «Углерод не должен опускаться так далеко, - говорит Дункан. «Его просто нужно удалить с поверхности, чтобы получить эффект повышения содержания кислорода».
Связь между субдукцией и повышением уровня кислорода на древней Земле все еще остается открытым вопросом, признает Регье. «Земля сложна... [и] захватывает тот факт, что у нас есть образцы, которые говорят нам об углеродном цикле глубоко в глубине планеты», - добавляет она. «Он говорит о том, что мы многого не понимаем о нашей планете».