«Алмази в земній корі синтезуються простіше, ніж припускали раніше»

Кімберлітова трубка «Світ», відкрита 1955 року в Якутії. Це один з найбільших кар’єрів, створених людиною: він має діаметр 1,2 км, а глибину 525 м. Видобуток відкритим способом вівся тут до 2001 року. Фото з сайту adme.ru

Американські геохіміки запропонували нову хімічну модель утворення алмазів. На відміну від колишньої, вона не вимагає для їх формування поєднання унікальних умов. Навпаки, згідно з цією моделлю алмази є частиною звичайних хімічних реакцій в умовах глибоких магматичних шарів. Хід цих реакцій зумовлюється властивостями води в умовах високих тисків і температур. У цих умовах вода перетворюється на потужний розчинник і в ній починають розчинятися матеріали магми, роблячи розчин більш кислим, чому розчинення йде ще швидше. У результаті карбонатовмісні породи стають джерелом вуглецю для утворення алмазів.

Видобуток алмазів відбувається в основному при розробці кімберлітових трубок. Кімберлітова трубка, або трубка вибуху, — це воронкоподібне геологічне тіло, утворене за рахунок прориву у верхні шари магматичного розплаву і газів, свого роду залишки стародавніх вулканів. Трубка заповнена кімберлітом, що вміщує уламки різних порід, зокрема еклогітів. Разом з еклогітом у трубках виносяться до поверхні та алмази. Видається, що самі алмази формуються в нижчих шарах з магматичних кімберлітових розплавів, а потім при вулканічних вибухах транспортуються до поверхні. Втім, згідно з іншими гіпотезами, алмази кристалізуються поступово на відносно менших глибинах і при менших тисках у проміжних рукавах самої кімберлітової трубки.

З хімічної точки зору алмази — це, як ми пам’ятаємо зі шкільної програми, чистий вуглець, атоми якого організовані в тетраедричну кристалічну решітку. Звідки в мантійних породах вуглець? Вважається, що він виходить за рахунок окислення метану, джерелом якого служить мантійна речовина. Це означає, що спочатку метан повинен пройти через породи з окислювальними властивостями, утворивши розчини, насичені окисленими варіантами вуглецю, а потім опинитися в породах, що забороняють подальше окислення (або навіть, навпаки, що переводять вуглекислоту на вуглець), тобто перетворення алмазів на звичайний вуглекислий газ. Необхідність такого різкого чергування умов в магматичних флюїдах (розчинах, розплавах або їх суміші) завжди викликала у вчених деякий сумнів.

Дімітрі Сверженські (Dimitri Sverjensky), геохімік з Університету Джонса Хопкінса (Балтімор, США), і його аспірант Хуан Фан (Fang Huang) запропонували чудовий вихід з цього хімічного глухого кута. Для цього їм потрібно було критично переглянути звичні моделі освіти алмазів. Коли обговорюється ця проблематика, то в якості відправної точки беруться водні розчини вуглецю, водню і кисню — їх подумки поміщають в умови високого тиску (більше 3 ГПа) і температур (близько 1000 ° C), при яких формуються алмази. А як же навколишні породи? Дійсно, вони ж нікуди не зникають, чому б і їх не прийняти в розрахунок. Автори роботи вважають, що початкове спрощення хімічних процесів стало до того звичним, що реальність просто перестала помічатися фахівцями. Але якщо врахувати присутність різних силікатних і карбонатних матеріалів, що вміщують флюїди, то хімія цих процесів стає куди цікавішою.

При таких високих тисках і температурах вода легко розчиняє карбонатовмісні мінерали. При цьому в розчин переходять протони, і його pH знижується (тобто розчин стає кислішим). У кислих умовах розчинення йде з ще більшою швидкістю. У результаті двоступеневого хімічного процесу карбонатні матеріали розкладаються, вивільняючи вуглець, який в таких умовах існує у вигляді карбонатів і бікарбонатів, вуглекислого газу, а також ряду органічних молекул. Алмази, як показують розрахунки рівноважних хімічних процесів, виходять з простих органічних молекул, залишків оцтової і мурашиної кислот — продуктів цих реакцій (хімікам буде цікаво поглянути на формули реакцій, вони наведені в обговорюваній статті, яка опублікована у відкритому доступі).

Розрахункові кількості водних розчинів вуглецевмісних сполук у реакціях води та еклогіту при тиску 5 ГПа і температурі 900 ° C. По осі абсцис відкладений логарифм швидкості реакції, розрахованої за відносною кількістю розчиненого мінералу. По осі ординат відкладено відносне число молей речовин на 1 кг води. Крива накопичення кількості алмазів (червона) майже дзеркально відображає кількість іонів мурашиної кислоти (чорна лінія) в розчині, тому що вуглець для алмазів береться майже повністю з неї (як видно, вміст іонів пропіонової кислоти, показаної блакитною лінією, в ході експерименту мало змінювався). Графік з обговорюваної статті в Nature Communications

Виходить, що ніякої зміни окислювально-відновлювальних умов не потрібно: у цих реакціях кількість кисню (а точніше, його парціальний тиск) залишається більш-менш постійним. А щоб реакція пішла, потрібно тільки знизити кислотність середовища. Це відбувається само собою при взаємодії води з магматичними породами за відомих умов.

Але це все були модельні розрахунки, засновані на знаннях поведінки реагентів у певних умовах. Важливо, що вченим вдалося провести і експерименти, в яких вони перевірили, як розчиняється еклогіт в умовах, що відповідають формуванню алмазів (в даному випадку — 5 ГПа і 900 ° C, що відповідає глибинам приблизно 150-200 км), і заодно вирахували параметри для моделі розчинення порід для різних температур і тисків. Експеримент проходив у спеціальних термокамерах, що передбачають можливість кількісного вимірювання розчинених елементів. Потім отриманий елементний спектр порівняли з включеннями в алмазах, що відображають склад флюїдів при їх формуванні. Спектри вийшли в цілому схожі, а відмінності, як вказали автори роботи, відображають знову-таки наше спрощене і усереднене уявлення про властивості розчинених речовин в умовах формування флюїдів.

Що нам дає ця робота? Власне, алмазів вона не додає, а також не спрощує пошук нових родовищ і кімберлітових трубок. Зате якщо модель вірна, то ясно, що синтез алмазів повинен йти повсюдно, так як для цього не потрібно ніяких унікальних змін окислювально-відновлювальних умов на шляху флюїдних розчинів. Це саме по собі цікаво. Крім того, нова модель геохімічних процесів у глибоких шарах кори і верхніх шарах мантії змушує переглянути шляхи глобального кругообігу вуглецю. Адже вуглець, що надходить з карбонатними породами в мантійні шари в зонах субдукції, не захоронюється там назавжди, а замість цього за певних умов починає знову переходити в розчин і повертається назад у глобальний кругообіг.

Вчені, які займаються подібними планетарними розрахунками, прийнявши модель Сверженські, повинні перерахувати все по-новому. Це спричинить перегляд різних глобальних розрахунків, у тому числі і кліматичних, оскільки багато з них пов’язані з вуглецевим циклом. Незабаром ми такі оновлені розрахунки напевно побачимо. Ще один наслідок з нової моделі — можливість утворення нафти в глибоких шарах земної кори. Якщо утворюються різні види органічних молекул, то серед них можуть бути і вуглеводні, що складають нафту, а також їжа для мешканців глибинних біосфер (див. статті T. Gold, 1992. The deep, hot biosphere и F. Inagaki et al., 2015. Exploring deep microbial life in coal-bearing sediment down to ~2.5 km below the ocean floor). Цьому автори роботи збираються присвятити окрему публікацію з низкою експериментальних доказів.

Джерело:

1) Dimitri A. Sverjensky, Huang Fang. Diamond formation due to a pH drop during fluid–rock interactions // Nature Communications. 2015. DOI: 10.1038/ncomms9702.

2) Eric Hand. How buried water makes diamonds and oil // Science. 2015. V. 350. P. 613–614.

Олена Наймарк