Kol- och vattenkretsloppen i jordens inre är kopplade till viktiga planetära processer, såsom mantelsmältning, avgasning, kemisk differentiering och advektion. Vattnets roll i kolutbytet mellan locket och kärnan är dock inte välkänd.
På Advanced Photon Source kl Argonne National Laboratory, Byeongkwan Ko, en nyligen doktorand. examen från Arizona State University, och hans team har genomfört experiment där de komprimerade vatten och järn-kollegering till det tryck och den temperatur som förväntas för Jordens kärna-mantelgräns, smälter järn-kol-legeringen.
Forskare fann att vatten och metall reagerar och bildar järnoxider och hydroxider, precis som att rosta på jordens yta. De fann också att för villkoren för kärnan-mantel gränsen, till skillnad från att rosta på jordens yta, Kol kommer ut ur den flytande järnmetallegeringen och bildar en diamant.
Eftersom kol är ett grundämne som älskar järn, förväntas det att kärnan kommer att innehålla en betydande mängd Kol medan manteln tros ha relativt lågt kol. Enligt forskare innehåller manteln faktiskt mycket mer kol än man tidigare trott.
Dan Shim, professor vid ASU:s School of Earth and Space Exploration och medförfattare på tidningen, sa: "Temperaturen vid gränsen mellan silikatmanteln och den metalliska kärnan på 3,000 7,000 km djup når till (cirka 2 XNUMX grader Fahrenheit), vilket är tillräckligt högt för att de flesta mineraler ska förlora HXNUMXO som fångas i deras strukturer i atomskala. Temperaturen är tillräckligt hög för att vissa mineraler ska smälta vid sådana förhållanden."
Shim sa, "Vid de tryck som förväntas för jordens kärna-mantel gräns, verkar vätelegering med järnmetallvätska minska lösligheten av andra lätta element i kärnan. Därför minskar lösligheten av kol, som sannolikt finns i jordens kärna, lokalt där väte kommer in i kärnan från manteln (genom uttorkning).
"Den stabila formen av kol vid tryck-temperaturförhållandena för jordens kärna-mantel gräns är diamant. Så kolet som flyr ut från den flytande yttre kärnan skulle bli diamant när det kommer in i manteln."
Ko sa, ”Kol är avgörande för livet och spelar en viktig roll i många geologiska processer. Upptäckten av en kolöverföringsmekanism från kärnan till manteln kommer att belysa förståelsen av kolets kretslopp i Jordens djupa inre. Detta är ännu mer spännande med tanke på att diamantbildningen vid gränsen mellan kärna och mantel kan ha pågått i miljarder år sedan subduktionen inleddes på planeten."
"Denna nya studie visar att kol som läcker från kärnan in i manteln genom denna diamantbildningsprocess kan ge tillräckligt med kol för att förklara de förhöjda kolmängderna i manteln."
Forskare förutspådde också det diamant-rika strukturer kan existera vid gränsen mellan kärnan och manteln och att seismiska studier kan upptäcka strukturerna eftersom seismiska vågor borde färdas ovanligt snabbt för strukturerna.
Shim sade, "Anledningen till att seismiska vågor bör fortplanta sig exceptionellt snabbt genom diamantrika strukturer vid gränsen mellan kärna och mantel är att diamant är extremt inkompressibel och mindre tät än andra material vid gränsen mellan kärnan och manteln."
Tidskriftsreferens:
- Byeongkwan Ko, Stella Chariton, et al. Vatteninducerad diamantbildning vid jordens kärn-mantelgräns. Geophysical Research Letters. DOI: 10.1029/2022GL098271
