Диаманти от южноафриканската мина Voorspoed предоставиха първото естествено доказателство за образуването на богати на никел метални сплави дълбоко в земната мантия. На дълбочина между 280 и 470 километра.

Ново проучване разкрива, че тези включвания съществуват съвместно с богати на никел карбонати, улавяйки рядък момент от реакция на „окислително-редукционно замразяване“. При нея окислени стопилки проникват в редуцирана мантийна скала.

Растящият диамант е уловил както реагентите, така и продуктите на реакцията, която го формира.

Това откритие потвърждава дългогодишни прогнози за окислително-редукционните условия в мантията.

Но също така дава информация за това как подобни процеси могат да стимулират образуването на диаманти от богати на летливи вещества магми, изригващи от стотици километри дълбочина.

Земната мантия е неспокоен и загадъчен двигател, който захранва вулканизма, рециклира земната кора и регулира дългосрочната еволюция на планетата.

Но една от най-неуловимите ѝ характеристики – окислително-редукционното състояние, или балансът между окислени и редуцирани химични видове – остава трудна за директно измерване.

Ново проучване, ръководено от Яел Кемпе и Яков Вайс от Института по науки за Земята към Еврейския университет, предлага рядък поглед към тези дълбоки процеси, уловени в нано- и микровключвания в диаманти от южноафриканската мина Voorspoed.

Рядко откритие в дълбините

В продължение на десетилетия модели и експерименти при високо налягане предполагат, че богати на никел метални сплави би трябвало да се стабилизират в мантията на дълбочина от около 250-300 км.

Въпреки това естествените проби, потвърждаващи тези прогнози, са изключително оскъдни.

Работейки с колеги от университетите на Невада, Кеймбридж и Наноцентъра към Еврейския университет, екипът на Вайс вече е идентифицирал нановключвания от никел-желязна сплав и микровключвания от богати на никел карбонати, запазени в диаманти, образувани на дълбочина между 280 и 470 км под земната повърхност.

Тези включвания представляват първото пряко доказателство за богати на никел сплави на прогнозираната им дълбочина.

Това е дългоочаквано потвърждение на моделите за окислително-редукционните процеси в мантията.

Минералното съдържание на диамантите включва също коезит, богати на калий алуминиеви фази и включвания от твърд молекулярен азот, предоставяйки множество маркери за налягане, които категорично определят произхода им от дълбоката горна мантия и плитката преходна зона.

Окислително-редукционни моменти, замразени в въглерод

Значението на откритието надхвърля простото потвърждение на теоретични модели.

Съвместното съществуване на никел-желязна сплав и богат на никел карбонат сочи към метасоматична реакция на „окислително-редукционно замразяване“. Динамично взаимодействие, при което окислена карбонатитно-силициева стопилка е проникнала в редуциран, съдържащ метали перидотит.

Това се присъединява към по-ранни доказателства от по-малки дълбочини, че това е основният начин за образуване на естествени диаманти.

В тази среда преференциалното окисление на желязото спрямо никела е довело до обогатяване на остатъчната сплав с никел.

В същото време от стопилката са кристализирали богати на никел карбонати и диаманти.

На практика диамантите са замразили един мимолетен геохимичен момент. А именно – превръщането на редуцирана мантийна скала в по-окислена, богата на летливи вещества област. И редукцията на карбонати за образуване на диаманти.

„Това е рядък кадър на химията на мантията в действие“, казва Вайс.

„Диамантите действат като малки капсули на времето, запазвайки реакция, която иначе би изчезнала, докато минералите се ребалансират със заобикалящата ги среда.“

Последици за динамиката на мантията и магматизма

Тези открития имат широки последици.

Ако локализирани метасоматични реакции периодично окисляват малки части от мантията, те могат да помогнат да се обясни защо някои включвания в други свръхдълбоки диаманти регистрират неочаквано високи окислителни условия.

Такива процеси хвърлят светлина и върху произхода на богатите на летливи вещества магми.

Обогатяването на мантийния перидотит с карбонати, калий и несъвместими елементи по време на тези окислително-редукционни събития може да подготви мантията за по-късното образуване на кимбърлити, лампрофири и дори някои базалти от океански острови.

С други думи, малките включвания в диамантите от Voorspoed намекват за мащабни връзки между субдукцията, окислително-редукционната динамика на мантията и генерирането на магми, които оформят континентите и изнасят диамантите на повърхността.

Диамантите като свидетели на мантията

Проучването подчертава научната стойност на диамантите като нещо повече от скъпоценни камъни.

Техните включвания – независимо дали са нанометрови сплави или минерали под високо налягане – предлагат един от единствените естествени записи на условията на стотици километри под краката ни.

Работата на Кемпе и Вайс бележи важен етап – първото естествено потвърждение на богати на никел сплави на дълбочини в мантията, предвидени от теорията, и ярка илюстрация на това как окислително-редукционният пейзаж на дълбоката Земя се развива чрез взаимодействието между стопилка и скала.

Докато изследователите продължават да изучават тези минерални капсули на времето, може да открием, че диамантите, някога символи на вечността, са също и разказвачи на промяната.

Те свидетелстват за скритата химия на мантията и процесите, които продължават да оформят нашата динамична планета.