В алмазі, який утворився глибоко у мантії Землі, виявили мінерал, якого ніколи раніше не зустрічали в природі. Це відкриття є рідкісною можливістю зазирнути в глибоку мантію і процеси, які у ній відбуваються на глибині понад 660 кілометрів. Завдяки йому геологи сподіваються краще зрозуміти, як мантія впливає на тектоніку плит.
Джерело: Aaron Celestian/Natural History Museum of Los Angeles County.
Цей мінерал – перовськіт силікату кальцію – утворюється лише під неймовірно високим тиском, який існує глибоко під землею. Виявлений зразок, ймовірно, утворився на глибині від 660 до 900 км, стверджує мінералог з Університету Невади у Лас-Веґасі Олівер Чаунер. Хоча мінерал раніше синтезували в лабораторії під тиском у 20 гігапаскалів, що майже у 200 тисяч разів перевищує атмосферний тиск, він одразу набув іншої форми, як тільки його вийняли із середовища з високим тиском. Як наслідок, дослідники дійшли висновку, що добути природний петровськіт силікату кальцію з мантії практично неможливо. «Ми вважали, що шанси виявити цей мінерал в природі настільки малі, що ми особливо ніколи його не шукали», – каже Чаунер.
Тож коли він разом з колегами виявив цей мінерал, аналізуючи дефекти в алмазі з Орапи (Ботсвана) – три крихітних цятки, – їхньому здивуванню не було меж. Силікат кальцію трапляється у природі в інших формах. Це, зокрема, воластоніт у корі та бреїт у середній та нижній частинах мантії. Але цей мінерал мав характерну кубічну кристалічну структуру, яка відрізняла його від інших типів. Чаунер та його колеги назвали його «дейвмаоїт» на честь геолога Хо-Квана «Дейва» Мао, автора новаторських експериментів з використанням алмазів як пресів для відтворення тиску в мантії. Стаття з описом дослідження опублікована в журналі Science.
Геофізики можуть отримати уявлення про склад земної мантії на основі знахідок у корі, адже породи в мантії та корі пов’язані між собою. Завдяки тектоніці плит породи та мінерали переміщуються вверх-вниз між корою та мантією протягом мільйонів років. Однак, залишаючи умови з високим тиском і екстремальною температурою в мантії, вони змінюються. Алмази – єдине «вікно» у цю частину геосфери, оскільки, підіймаючись, вони не трансформуються. Ці мінерали формуються на глибині від 150 до 1000 км. Оскільки алмази неймовірно тверді, у них можуть зберегтися у вигляді мікроскопічних вкраплень мінерали, які існують лише в умовах дуже великого тиску, причому навіть тоді, коли алмази потрапляють на поверхню і їх видобувають гірники. «Алмаз не пропускає нічого всередину, ні назовні. Це справді ідеальна закрита скринька», – каже Одед Навон, геолог з Єврейського університету в Єрусалимі, який не брав участі у дослідженні.
Кількість дейвмаоїту, яку виявили в алмазі з Ботсвани, була дуже незначною: кожна з трьох цяток була завширшки від 5 до 10 мікрометрів. Чаунер та його колеги спершу проаналізували їх під рентгенівськими променями, а згодом просвердлили за допомогою лазера, випарувавши мінерал і пропустивши його через мас-спектрометр, щоби дослідити його хімічний склад. Науковці виявили, що дейвмаоїт містить дуже багато калію, який допоміг стабілізувати мінерал. Вміст калію також вказує на підземний «конвеєр», яким елементи переміщаються між корою та мантією, каже Інвей Фей, геохімік з Інститут Карнеґі, який написав редакційну статтю, що супроводжувала нове дослідження у Science. Калій не є поширеним у глибокій мантії елементом, але, ймовірно, він потрапляє туди з пластів кори у зонах субдукції, в яких одна тектонічна плита рухається по іншій.
За словами Чаунера, один ізотоп калію радіоактивний, а дейвмаоїт також містить невелику кількість радіоактивних елементів, таких як торій та уран, які мінерали у нижній мантії «засвоюють» досить важко. Важливість знахідки полягає у тому, що на розпад цих елементів припадає приблизно третина тепла, яке виділяється у надрах Землі. Виходячи із концентрації мінералів ближче до поверхні Землі, геологи припускають, що на дейвмаоїт має припадати від 5 до 7% маси нижньої мантії. Але цей мінерал може бути розподілений нерівномірно: місцями можуть переважати концентрації, багаті ураном і торієм, що, можливо, пояснює, чому одні частини мантії гарячіші, ніж інші. Ці гарячі точки допомагають стимулювати циркуляцію в мантії, що, зі свого боку, впливає на тектоніку плит. Тож навіть невеликі зміни у концентрації мінералів глибоко в мантії впливають на процеси в корі і на поверхні нашої планети. За словами Чаунера, сфера досліджень таких зв’язків тільки-но починає формуватись. «Виявлення мінералів з нижньої мантії – це великий крок до кращого розуміння будови нашої планети», – резюмує науковець.
Stephanie Pappas
New Mineral Discovered in Deep-Earth Diamond
Scientific American, 11/11/2021
Зреферував Є. Л.
14.11.2021