Стабильные соединения железа в недрах Земли участвуют в образовании алмазов
Международная группа ученых, в состав которой вошли исследователи из России (Лейла Исмаилова, научная сотрудница Центра добычи углеводородов Сколтеха), Франции, Германии, Италии и США, открыли удивительные особенности поведения карбоната железа в условиях больших температур и очень высокого давления, которые наблюдаются в мантии Земли. Карбонаты - одни из самых основных углеродсодержащих соединений мантии, также они встречаются в виде включений в глубинных алмазах, что является прямым доказательством их залегания на глубине более 700 км. Ученые продемонстрировали, что в таких экстремальных условиях структура карбоната реорганизовывается таким образом, что углерод в составе карбонатов привлекает дополнительный атом углерода и принимают форму тетраэдра. Всего исследователями были обнаружены два новых соединения, имеющих в своем составе по одному модифицированному карбонату, которые способны быть стабильными на очень большой глубине. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications.
Недра нашей планеты отличаются особо суровыми условиями: очень высокое давление (более миллиона атмосфер) и экстремально высокая температура - 2200 °C. Большинство химических соединений, проявляющих стабильность на поверхности Земли, не могут существовать при таких показателях. В настоящей работе ученые продемонстрировали новые вещества, которые могут выдерживать подобные условия, описали механизм, обеспечивающий их стабильность, и процессы в которых могут принимать участие такие соединения.
Для того, чтобы имитировать условия, в которых пребывают вещества в глубине мантии Земли, исследователи воссоздали высокие давление и температуру с помощью нагреваемых лазером алмазных наковален. Очень маленькие кристаллы (10-15 микрон) были зажаты между двух алмазов и на них был сфокусирован лазерный луч. Далее они применили к образцам синхротронное рентгеновское излучение в Европейском ускорительном центре (European Synchrotron Radiation Facility, Франция), а также на американском ускорительном комплексе (Advanced Photon Source, США). Это дало возможность проанализировать состав и структуру образцов. Там же были измерены мельчайшие изменения энергетических показателей атомов железа, которые имеют ключевое значение для определения состояния новых карбонатов железа при высоком давлении.
Полученные результаты демонстрируют возможность существования совершенно новой кристаллической структуры c необычайной устойчивостью, которая способна сохранять свое строение на протяжении всей мантии, как минимум до глубины 2500 км, что очень близко к границе мантии и ядра нашей планеты. Ученые сделали заключение, что реакция самоокисления железа позволяет карбонатам сохраняться в недрах мантии, где они могут участвовать в образовании алмазов.
