Увидеть никель в алмазах: металлические включения рассказали о скрытой химии мантии Земли
Мантия Земли — это беспокойный и загадочный мир, который обеспечивает вулканизм, перерабатывает земную кору и регулирует долгосрочную геологическую эволюцию. Но одну из ее самых неуловимых характеристик — окислительно-восстановительное состояние, или баланс окисленных и восстановленных химических веществ, — особенно сложно измерить напрямую.
Исследование, проведенное Яэль Кемпе и Яаковом Вайсом из Института наук о Земле Еврейского университета, позволяет по-новому взглянуть на эти глубинные процессы, запечатленные в нано- и микроскопических включениях в алмазах из южноафриканского рудника Вурспоед. Исследование опубликовано в журнале Nature Geoscience.
На протяжении десятилетий модели и эксперименты с высоким давлением предполагали, что богатые никелем металлические сплавы должны стабилизироваться в мантии на глубине примерно 250–300 км. Однако природных образцов, подтверждающих эти предположения, крайне мало.
Работая с коллегами из Университета Невады, Кембриджского университета и Наноцентра при Еврейском университете, команда Вайса обнаружила металлические наноиндикаторы из никеля и железа и микроиндикаторы из богатых никелем карбонатов, сохранившиеся внутри алмазов, которые образовались на глубине от 280 до 470 км под поверхностью Земли. Эти включения представляют собой первое прямое свидетельство наличия богатых никелем сплавов на прогнозируемой глубине — долгожданное подтверждение моделей окислительно-восстановительных процессов в мантии.
В состав алмазов также входят коэсит, богатые калием глиноземистые фазы и молекулярные твердые включения азота. Последние служат маркерами давления, указывающими на то, что алмазы образовались в глубокой верхней мантии и неглубокой переходной зоне.
Значение этой находки выходит за рамки простого подтверждения теоретических моделей. Сосуществование сплава никеля и железа и богатого никелем карбоната указывает на метасоматическую окислительно-восстановительную реакцию — динамическое взаимодействие, в ходе которого окисленный карбонатито-кремнистый расплав проникал в восстановленный, богатый металлами перидотит. Это подтверждает более ранние данные, полученные с меньшей глубины, о том, что это основной способ образования природных алмазов.
В таких условиях преимущественное окисление железа по сравнению с окислением никеля привело к обогащению остаточного сплава никелем. В то же время из расплава кристаллизовались богатые никелем карбонаты и собственно алмазы — кристаллический углерод. По сути, алмазы запечатлели мимолетный геохимический момент: превращение восстановленной мантийной породы в более окисленную, богатую летучими веществами область и восстановление карбонатов с образованием алмазов.
Это редкое свидетельство того, как происходит химическая реакция в мантии. Алмазы выступают в роли крошечных капсул времени, сохраняя реакцию, которая в противном случае исчезла бы, когда минералы снова пришли бы в равновесие с окружающей средой.
Эти открытия имеют большое значение. Если локальные метасоматические реакции периодически окисляют небольшие участки мантии, это может объяснить, почему включения в других сверхглубоких алмазах свидетельствуют о неожиданно высоком содержании кислорода.
Такие процессы также проливают свет на происхождение магм, богатых летучими веществами. Обогащение мантийного перидотита карбонатами, калием и несовместимыми элементами в ходе этих окислительно-восстановительных процессов могло подготовить мантию к последующему образованию кимберлитов, лампрофиров и даже некоторых базальтов океанических островов.
Другими словами, крошечные включения в алмазах из Вурспоуда указывают на масштабную связь между субдукцией, окислительно-восстановительной динамикой мантии и образованием магмы, которая формирует континенты и выносит алмазы на поверхность.
Исследование подчеркивает научную ценность алмазов как чего-то большего, чем просто будущие «лучшие друзья девушек» или рабочие кромки режущих инструментов. Их включения — будь то сплавы нанометрового размера или минералы, образовавшиеся под высоким давлением, — являются одними из немногих природных свидетельств условий, существовавших на глубине сотен километров под нашими ногами.
Работа Кемпе и Вайса знаменует собой важную веху: это первое природное подтверждение существования богатых никелем сплавов на глубинах мантии, предсказанных теорией, а также яркая иллюстрация того, как окислительно-восстановительный ландшафт Земли меняется в результате взаимодействия расплава и горных пород.
По мере того, как исследователи продолжают изучать эти минеральные «капсулы времени», мы можем обнаружить, что алмазы, которые когда-то считались символом постоянства, на самом деле являются свидетелями перемен, рассказывающими о скрытой химии мантии и процессах, которые продолжают формировать нашу динамичную планету.
Недавно мы рассказали про уникальный голубой бриллиант Mediterranean Blue, проданный с аукциона за 20 с лишним миллионов долларов.
