Циклы углерода и воды в недрах Земли связаны с ключевыми планетарными процессами, такими как плавление мантии, дегазация, химическая дифференциация и адвекция. Однако роль воды в углеродном обмене между чехлом и ядром малоизвестна.
В усовершенствованном источнике фотонов в Национальная лаборатория Аргон, Пёнгван Ко, недавний доктор философии. выпуститься из Университет штата Аризонаи его команда проводили эксперименты, в которых они сжимали воду и железо-углеродный сплав до давления и температуры, ожидаемых для Ядро Земли-мантийная граница, плавящая железо-углеродный сплав.
Ученые обнаружили, что вода и металл вступают в реакцию и образуют оксиды и гидроксиды железа, точно так же, как ржавеет на поверхности Земли. Они также обнаружили, что для условий границы ядро-мантия, в отличие от ржавления на поверхность ЗемлиУглерод выходит из жидкого металлического сплава железа и образует алмаз.
Поскольку углерод — это элемент, который любит железо, ожидается, что ядро будет содержать значительное количество Carbon в то время как мантия, как полагают, имеет относительно низкое содержание углерода. По мнению ученых, мантия на самом деле включает гораздо больше углерода, чем считалось ранее.
Дэн Шим, профессор Школы исследования Земли и космоса АГУ и соавтор статьи, сказал: «Температура на границе между силикатной мантией и металлическим ядром на глубине 3,000 км достигает (около 7,000 градусов по Фаренгейту), что достаточно высоко для того, чтобы большинство минералов теряли H2O, захваченную в их структурах атомного масштаба. Температура настолько высока, что некоторые минералы должны плавиться в таких условиях».
Шим сказал: «При давлениях, ожидаемых на границе ядра и мантии Земли, сплавление водорода с жидким металлическим железом, по-видимому, снижает растворимость других легких элементов в ядре. Следовательно, растворимость углерода, который, вероятно, существует в ядре Земли, локально снижается там, где водород попадает в ядро из мантии (в результате обезвоживания)».
«Стабильная форма углерода в условиях давления и температуры на границе ядра и мантии Земли — это алмаз. Таким образом, углерод, выходящий из жидкого внешнего ядра, станет алмазом, когда попадет в мантию».
Ко сказал: «Углерод необходим для жизни и играет важную роль во многих геологических процессах. Открытие механизма переноса углерода из ядра в мантию прольет свет на понимание углеродного цикла в Глубокие недра Земли. Это еще более интересно, учитывая, что образование алмазов на границе ядра и мантии могло продолжаться в течение миллиардов лет с момента начала субдукции на планете».
«Это новое исследование показывает, что утечка углерода из ядра в мантию в результате процесса образования алмаза может обеспечить достаточное количество углерода, чтобы объяснить повышенное количество углерода в мантии».
Ученые также предсказали, что алмазНа границе ядра и мантии могут существовать богатые структурами, и сейсмические исследования могут обнаружить эти структуры, поскольку сейсмические волны должны распространяться необычно быстро для этих структур.
Шайба — сказал, «Причина, по которой сейсмические волны должны распространяться исключительно быстро через богатые алмазами структуры на границе ядра и мантии, заключается в том, что алмаз чрезвычайно несжимаем и менее плотен, чем другие материалы на границе ядра и мантии».
Справочник журнала:
- Пёнгван Ко, Стелла Харитон и др. Водоиндуцированное образование алмазов на границе ядра и мантии Земли. Журнале Geophysical Research Letters, DOI: 10.1029/2022GL098271
