• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
31 августа
Иван Лавренов
27 015

Ржавеющее земное ядро может выделять алмазы на границе с мантией

4.5

Железо-никелевый сплав земного ядра содержит большое количество растворенного углерода. Ученые выявили процесс, который может приводить к выделению этого углерода в мантию и образованию из него алмазов.

Строение земных недр. Синим показаны фрагменты океанической коры, погружающиеся к границе ядра (большая их часть не достигает нижней мантии). Желтым показан приграничный слой нижней мантии D''.
Строение земных недр. Синим показаны фрагменты океанической коры, погружающиеся к границе ядра (большая их часть не достигает нижней мантии). Желтым показан приграничный слой нижней мантии D”. / © https://www.researchgate.net/figure/Cross-section-of-the-Earth-showing-the-core-mantle-and-crust-Diamonds-are-generated_fig1_319010186

Самый большой резервуар углерода на Земле — вовсе не биосфера, а земное ядро. Оно состоит из железо-никелевого расплава, в котором растворены легкие элементы, склонные переходить из скальной породы в состав железа. В первую очередь это сера, кремний и углерод, а так же кислород и водород. По оценкам, в ядре содержится около девяти десятых всего углерода Земли.

Считалось, что углерод присутствовал в земном ядре с самого момента его образования и надежно запечатан в нем. Плотность металлического расплава ядра вдвое выше, чем у минералов нижней мантии Земли, и смешивания не происходит — как между водой и застывшим поверх нее воском.

Ученые из Аризонского государственного университета в США (Arizona State University) во главе с Бьеонгкваном Ко (Byeongkwan Ko) поставили эксперимент, в котором воспроизвели взаимодействие материалов на границе нижней мантии и ядра. Они обнаружили процесс, который может «извлекать» углерод из ядра и перемещать его в мантию.

Исследователи исходили из предположения, что в нижней мантии Земли может присутствовать свободная вода (в виде сверхкритического флюида). В процессе субдукции океаническая земная кора, насыщенная водой, погружается в мантию, и ее фрагменты могут достигать границы ядра. При температуре нижней мантии, достигающей почти четырех тысяч градусов Цельсия, даже самые устойчивые гидратированные минералы теряют способность удерживать воду в своем составе. Она диффундирует сквозь горные породы, «просачивается» к границе ядра и вступает в контакт с железом.

Исследователи имитировали эту «встречу», помещая воду и карбид железа Fe3C (металлурги знают его как цементит, входящий в состав чугуна) в алмазную наковальню и подвергая ее содержимое давлению и температуре, соответствующим границе земного ядра. Получившиеся продукты реакции они анализировали с помощью рентгеновской дифракции на синхротронном источнике в Аргоннской национальной лаборатории, определяя кристаллические структуры и идентифицируя химические соединения по структурам, как по отпечаткам пальцев.

Изображение крупинки цементита в водной среде внутри ячейки с алмазными наковальнями. Стрелками указаны «проржавевшие» участки, в которых рентгеновская дифракция показала наличие микроскопических алмазов.
Изображение крупинки цементита в водной среде внутри ячейки с алмазными наковальнями. Стрелками указаны «проржавевшие» участки, в которых рентгеновская дифракция показала наличие микроскопических алмазов. / © Arizona State University.

Оказалось, что железо вступает в реакцию с водой, но «ржавление» земного ядра отличается от коррозии металлоконструкций на земной поверхности. Химия высоких давлений и температур может быть очень непохожа на привычную нам.

На поверхности ржавчина состоит из окислов и гидроксидов железа в высокой степени окисления (+3). В ядре кислород и водород воды полностью входят в состав железа, превращая его в оксид FeO с более низкой степенью окисления (+2), и гидриды FeHx. При нормальных условиях оксиды и гидриды обычно несовместимы друг с другом: они реагируют в противоположном направлении, образуя исходный металл и воду.

В продуктах этой реакции углерод растворяется гораздо меньше, чем в самом железе, и он вытесняется наружу. При обычном ржавлении углерод в стали окисляется и переходит в карбонаты, но на границе ядра, в отсутствие кислорода, он выделяется в свободном виде. Огромное давление и температура превращают его в алмаз.

Авторы исследования предполагают, что выявленный ими механизм экстракции углерода из ядра в мантию может вносить заметный вклад в круговорот углерода в недрах Земли и объяснить повышенное его содержание в мантии. Кроме того, они надеются, что скопление алмазов на границе земного ядра можно будет обнаружить на сейсмических данных. Скорость звука в алмазе, при атмосферном давлении равная 12 километрам в секунду, более чем вдвое превышает скорость звука в горных породах, и обогащенные алмазом породы могут быть заметны на сейсмограммах как области аномально высокой скорости сейсмических волн.

На границе ядра, впрочем, разница в скоростях звука может оказаться меньше, поскольку скорость звука растет при сжатии материала, а горные породы сжимаются лучше, чем алмаз. Скорость продольных волн в обычных породах нижней мантии достигает 14 километров в секунду. Кроме того, геологи пока обнаруживали лишь области пониженной скорости сейсмических волн на границе ядра, а большинство найденных алмазов — родом из верхней и средней мантии.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 13:45
Александр Березин

Половина всего расхода энергии человечеством приходится на тепло, почти 50% из этого количества уходит на отопление и нагрев воды в домах. На электричество — всего 19%. Из этого ясно, что вопрос отопления даже важнее электроэнергетики, а без отказа от ископаемых топлив здесь зеленый переход невозможен. Однако, как показывает новая научная работа, водород в этой роли — лишь несбыточная мечта.

Вчера, 14:59
Анна Новиковская

Все современные млекопитающие, от утконоса до синего кита и человека, произошли от общего предка, жившего около 180 миллионов лет назад, в юрский период. Об этом загадочном животном мы мало что знаем, но теперь ученые смогли компьютерно реконструировать его геном.

Вчера, 12:33
Алиса Гаджиева

На дне Ирландского моря лежат не менее 273 затонувших судов. С помощью гидролокатора ученые опознали среди них корабль, который более ста лет назад пытался спасти «непотопляемый» лайнер.

26 сентября
Анатолий Глянцев

Солнце несравнимо ближе к нам, чем любая другая звезда. До него всего восемь световых минут, тогда как до Проксимы Центавра — четыре с лишним световых года. Казалось бы, уж о Солнце-то мы должны знать все и даже больше. Однако не тут-то было. Naked Science рассказывает о загадках, которые все еще таит дневное светило.

Позавчера, 17:32
Александр Березин

Индустриальная эпоха сделала мобилизацию нормой, но что мы знаем о ней и ее роли в истории России? В чем реальные корни ее необходимости, а где границы? Бывали ли у нас частичные мобилизации раньше? Чем они заканчивались? И чего, наконец, стоит ждать от нее в наши дни и в нашей стране?

23 сентября
Алиса Гаджиева

Ученые обнаружили, что древняя медная промышленность Израильского царства была организована так, что в итоге в ее центре не осталось ни растений, ни самой промышленности.

16 сентября
Алиса Гаджиева

Геродот в своей «Истории» утверждал, что блоки для пирамиды Хеопса и соседних пирамид доставляли по воде. Но сегодня от Нила до пирамид слишком далеко. Исследование кернов, взятых в пойме реки, позволило понять, как именно решался сложнейший вопрос транспортировки такого строительного материала.

15 сентября
Никита Логинов

Светодиоды потребляют намного меньше энергии, чем традиционные газоразрядные лампы, что должно сократить парниковые выбросы. Но при этом светодиодное освещение угрожает здоровью жителей и разрушает местные экосистемы в городах и селах.

3 сентября
Алиса Гаджиева

В «Кратких сообщениях Института археологии» опубликована статья Михаила Казанского и Анны Мастыковой, в которой авторы обобщили все известное из самых разных источников (от позднеантичных авторов до материалов археологических раскопок) о народе акациры. В результате они не только узнали, где те жили во время Великого переселения народов, но и предположили, как это племя нашло общий язык с соседями.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: