Мікроскопічна порожнина всередині алмазу завдовжки всього 3 міліметри дала перший прямий доказ того, що мінерал гетит може переносити воду з поверхні Землі в глибокі шари мантії. Про це повідомляє бразильська команда, яка досліджувала камінь на прискорювачі частинок Sirius у Національній лабораторії синхротронного випромінювання (LNLS), що входить до Бразильського центру досліджень в галузі енергії та матеріалів (CNPEM), пише SciTechDaily.

Гетит зазвичай утворюється в ґрунтах і на дні океану, коли залізовмісні мінерали взаємодіють з водою. Частина молекул води вбудовується в кристалічну решітку мінералу, тож давно існувала гіпотеза, що гетит може «нести» воду вглиб і вивільняти її на великих глибинах. Нове дослідження показує, що цей мінерал здатен витримувати умови нижньої мантії, де тиск і температура набагато вищі, ніж у верхній мантії.

Як алмаз став «капсулою часу» глибокої Землі

Робота виросла з магістерської роботи геологині Кароліни Камарди (Carolina Camarda) під керівництвом геолога Тіаго Яловіцкі (Tiago Jalowitzki) з Університету Бразиліа та фізика Еліу Толентіно (Hélio Tolentino) з LNLS. Для дослідження команда використала надглибокі алмази з району Чападао поблизу міста Юїна в штаті Мату-Гросу, які гірники передали вченим у 2018 році.

Такі алмази трапляються лише в небагатьох місцях світу й формуються на глибинах понад 300 кілометрів, тоді як більшість звичайних алмазів виникає приблизно на 150 кілометрах. Вони часто мають неправильну форму та містять темні включення інших мінералів, захоплених під час росту кристала. Для геологів саме ці включення є найціннішими: алмаз надійно ізолює їх від змін, тож вони зберігають інформацію про умови в надрах Землі сотні мільйонів років тому.

Надглибокі алмази з Юїни відомі з кінця 1980‑х років і вже не раз допомагали відкривати нові деталі будови мантії. Але раніше дослідженнями здебільшого керували міжнародні групи. Нинішня робота стала першою, яку повністю виконала бразильська команда на власних синхротронних установках, і першою у світі, де надглибокий алмаз від початку до кінця вивчали саме методами синхротронного випромінювання.

Сканування алмаза рентгенівськими променями

Синхротронне випромінювання — це надзвичайно яскрава форма електромагнітного випромінювання, яку отримують, коли електрони рухаються в прискорювачі майже зі швидкістю світла. Окремі пучки (beamlines) спрямовують на зразки, щоб досліджувати їхню внутрішню будову.

На лінії Mogno вчені застосували високороздільну рентгенівську мікротомографію, щоб побудувати тривимірну карту приблизно сотні мінеральних включень усередині обраного навмання алмаза. Потім на лінії Carnaúba за допомогою рентгенівської спектроскопії визначили хімічний склад цих включень.

Одна з мікровключень привернула особливу увагу: вона виглядала так, ніби містить залізистий гідроксид. Такі сполуки майже не очікують побачити в глибокій мантії, де гідратовані мінерали рідкісні, а більшість порід не сприяє окиснювальним реакціям. Зазвичай, коли дослідники знаходять залізисті гідроксиди в алмазі, їх списують на окиснення через мікротріщини, що відкрили шлях повітрю.

У цьому випадку томографія показала, що включення повністю ізольоване й не має жодного контакту із зовнішнім середовищем. Це змусило команду продовжити аналіз.

На лінії Ema за допомогою рентгенівської дифракції вчені ідентифікували в запечатаній порожнині гетит (FeOOH), а також оксиди заліза гематит (Fe₂O₃) і магнетит (Fe₃O₄). Усі три мінерали добре відомі в ґрунтах і на океанічному дні, але їхня спільна присутність у мікроскопічній герметичній включенні не може бути пояснена умовами на поверхні Землі.

Гетит витримує умови нижньої мантії

Довгий час вважалося, що гетит не здатен пережити субдукцію — занурення океанічної літосферної плити під іншу плиту та її опускання в мантію. За традиційними уявленнями, вже при температурах понад 200 °C на відносно невеликій глибині гетит мав би розкладатися на гематит і воду, тож він не розглядався як потенційний «носій» води в глибоку мантію.

Камарда та її колеги помітили, що дифракційна картина гетиту з алмаза дуже схожа на результати експерименту зі ударного стискання, проведеного в 2021 році в Сичуанському університеті в Китаї. Там показали, що гетит може витримувати тиск 35–57 гігапаскалів (приблизно у 500 разів вищий, ніж на дні найглибшої океанічної западини) і температури від 877 до 1 827 °C — це умови, подібні до тих, що панують у нижній мантії на глибинах близько 900–1 250 кілометрів.

Деякі дослідники ставляться до ударного стискання обережно, адже воно не ідеально відтворює реальні умови мантії. Однак інше дослідження 2021 року, виконане в алмазних ковадлах, також показало, що гетит може зберігатися за подібних тисків і температур. Водночас інші експерименти вказують, що за певних умов мінерал втрачає воду на менших глибинах. Отже, шлях гетиту в надра, ймовірно, складний і залежить від температури та геологічного оточення.

Як вода може потрапляти в нижню мантію

Автори роботи припускають, що гетит здатен пережити субдукцію, якщо він захищений усередині глибоких тріщин у відносно холодних океанічних плитах. У таких «схованках» мінерал може опускатися на глибини понад 400 кілометрів, перш ніж почати перетворюватися на гематит і воду або на магнетит, кисень і воду.

Ці перетворення можуть тривати й у нижній мантії, забезпечуючи можливий шлях для перенесення води з поверхні в області, які раніше вважалися майже «сухими». Сам алмаз, що оточує включення, ймовірно, кристалізувався з вуглецю, який містився або в мантійних породах, або в зануреній океанічній плиті. Вуглець у мантії трапляється рідше, ніж магній, залізо чи кремній, тож такі алмази є додатковим свідченням особливих умов формування.

Ще одне включення в цьому ж алмазі містило феропериклаз ((Mg, Fe)O) — мінерал, дуже поширений у нижній мантії. Це додатково підтверджує, що кристал утворився на великій глибині.

Вивільнення води в мантії знижує температуру плавлення порід і може сприяти утворенню невеликих об’ємів магми, які повільно піднімаються до поверхні. За деякими гіпотезами, саме такі процеси поблизу зони переходу між верхньою та нижньою мантією, приблизно на глибині 400 кілометрів, породжують вулканічні породи, що виносять надглибокі алмази на поверхню.

Фрагменти глибокого водного циклу Землі

Раніше інший алмаз із Юїни вже допоміг відкрити ще одну ланку глибинного водного циклу. У 2014 році міжнародна група повідомила, що в ньому виявили рінгвудит (Mg₂SiO₄) — мінерал, типовий для зони переходу між верхньою та нижньою мантією, здатний утримувати воду.

Нині є свідчення, що верхня мантія може містити значні об’єми води, занесеної з поверхні. Натомість нижня мантія довго залишалася загадкою, оскільки більшість її мінералів майже не здатні зберігати воду. Гетит, законсервований усередині цього алмаза, пропонує реалістичний механізм, як вода може проникати ще глибше, ніж вважалося раніше.