Новое исследование ставит под сомнение прежние представления о глубине углеродного цикла нашей планеты. Ученые предполагают, что он может быть не таким масштабным, как считалось ранее.
Самые редкие и ценные алмазы, к которым относится и знаменитый алмаз «Надежда», формируются из древнего, изолированного резервуара углерода, расположенного в нижней мантии Земли. Этот источник углерода существует отдельно от активного цикла, который связывает поверхность планеты с ее корой.
Два разных источника углерода для алмазов
Подавляющее большинство алмазов, знакомых человечеству, образуется из углерода, который постоянно циркулирует между поверхностью Земли и ее корой. Однако алмазы самого глубокого происхождения имеют иную природу. Их углерод происходит из недавно обнаруженного древнего резервуара, скрытого в нижних слоях мантии.
Химические сигнатуры, обнаруженные в этих «сверхглубоких» алмазах, указывают на существование ранее неизвестного предела для углеродного цикла Земли. Изучение этой части цикла — процессов перемещения углерода в недра планеты и обратно — имеет ключевое значение для понимания долгосрочных климатических изменений на протяжении геологических эпох.
Глубина как ключевой фактор
Алмазы кристаллизуются на разной глубине, прежде чем быть вынесенными на поверхность. Как поясняет геохимик Марго Регье из Университета Альберты, большинство коммерческих алмазов рождаются в верхних 250 километрах планеты. «Сверхглубокие» алмазы формируются на глубине не менее 250 км и являются большой редкостью. Но самыми уникальными являются алмазы, чье место рождения — нижняя мантия на глубине около 700 километров.
Именно к этой категории относятся крупнейшие и самые знаменитые бриллианты, такие как «Алмаз Надежды». Их научная ценность невероятно высока, поскольку они служат единственным прямым «окном» в недоступные глубины нижней мантии. Микроскопические включения в этих алмазах могут содержать настоящие геологические сокровища: самую глубокую воду на планете или древнейшие из сохранившихся земных материалов.
Загадка происхождения и роль субдукции
Долгое время источник углерода для этих глубоких алмазов оставался загадкой. Ученые предполагали, что он может быть связан с процессом субдукции — погружением одних тектонических плит под другие. Этот механизм переносит углерод с поверхности в недра Земли, что является важнейшей частью глобального углеродного цикла. Часть этого углерода возвращается через вулканическую активность или в виде алмазов, а часть надолго захватывается в глубокой коре или мантии. Более того, связывание углерода через субдукцию, возможно, сыграло решающую роль в накоплении кислорода в атмосфере, подготовив почву для Великого кислородного события примерно 2,3 миллиарда лет назад.
Химические подсказки внутри кристаллов
Чтобы разгадать эту тайну, Регье и ее коллеги провели тщательный химический анализ алмазов, сформировавшихся в коре, верхней и нижней мантии. Они изучили изотопный состав углерода и азота в самих алмазах, а также изотопы кислорода в мельчайших включениях пород внутри них. Эти включения, попавшие в кристалл во время его роста, служат бесценными капсулами времени, сохраняя химическую среду своего образования.
Результаты показали четкую разницу. Алмазы из коры и верхней мантии содержали включения, обогащенные тяжелым изотопом кислорода-18. Это свидетельствует о том, что они кристаллизовались из магмы, источником которой была погрузившаяся океаническая кора. Как отмечает Регье, все изотопные системы — углерод, азот, кислород — единогласно подтверждают, что субдуцирующие плиты способны транспортировать углерод на значительную глубину.
Глубинный барьер для поверхностного углерода
Однако исследование выявило критический рубеж. На глубине от 500 до 600 километров большая часть углерода, принесенного плитами, теряется — он растворяется в магме, которая впоследствии поднимается обратно к поверхности. После прохождения этой границы погружающиеся плиты становятся «обедненными» углеродом.
Алмазы, сформированные ниже отметки в 660 километров, демонстрируют совершенно иной химический состав. «Они образуются иначе, — объясняет Регье, — из углерода, который уже хранился в мантии. Самые глубокие образцы, вероятно, состоят из первичного углерода, который никогда не покидал планету».
Последствия для понимания истории Земли
Это открытие указывает на существование предела для глубины, на которую поверхностный углерод может быть погребен внутри планеты. Один из важных выводов, по словам Регье, заключается в том, что это ставит под сомнение гипотезу, согласно которой именно глубокая и долговременная субдукция углерода стала главным драйвером Великого кислородного события.
Однако, как отмечает петролог Меган Дункан, для оказания влияния на климат и атмосферу углероду не обязательно опускаться в нижнюю мантию. «Его просто нужно удалить с поверхности, чтобы запустить эффект повышения уровня кислорода», — поясняет она.
Связь между субдукцией и оксигенацией атмосферы древней Земли по-прежнему остается открытым вопросом. «Земля сложна, — признает Регье. — Самое захватывающее — это то, что у нас есть образцы, которые рассказывают нам об углеродном цикле в самых глубинах планеты. Это напоминание о том, как много мы еще не понимаем о нашем собственном мире».