Алмазы в земной коре синтезируются проще, чем предполагали раньше

Кимберлитовая трубка «Мир», открытая в 1955 году в Якутии. Это один из крупнейших карьеров, созданных человеком: он имеет диаметр 1,2 км, а глубину 525 м. Добыча открытым способом велась здесь до 2001 года. Фото с сайта adme.ru

Американские геохимики предложили новую химическую модель образования алмазов. В отличие от прежней, она не требует для их формирования сочетания уникальных условий. Напротив, согласно этой модели алмазы являются частью обычных, идущих повсеместно химических реакций в условиях глубоких магматических слоев. Ход этих реакций предопределяется свойствами воды в условиях высоких давлений и температур. В этих условиях вода превращается в мощный растворитель и в ней начинают растворяться материалы магмы, делая раствор более кислым, отчего растворение идет еще быстрее. В результате карбонатсодержащие породы становятся источником углерода для образования алмазов.

Добыча алмазов происходит в основном при разработке кимберлитовых трубок. Кимберлитовая трубка, или трубка взрыва, — это воронкообразное геологическое тело, образованное за счет прорыва в верхние слои магматического расплава и газов, своего рода остатки древних вулканов. Трубка заполнена кимберлитом, вмещающим обломки различных пород, в частности эклогитов. Вместе с эклогитом в трубках выносятся к поверхности и алмазы. Представляется, что сами алмазы формируются в нижележащих слоях из магматических кимберлитовых расплавов, а потом при вулканических взрывах транспортируются к поверхности. Впрочем, согласно другим гипотезам, алмазы кристаллизуются постепенно на относительно меньших глубинах и при меньших давлениях в промежуточных рукавах самой кимберлитовой трубки.

С химической точки зрения алмазы — это, как мы помним из школьной программы, чистый углерод, атомы которого организованы в тетраэдрическую кристаллическую решетку. Откуда в мантийных породах углерод? Считается, что он получается за счет окисления метана, источником которого служит мантийное вещество. Это означает, что сначала метан должен пройти через породы с окислительными свойствами, образовав растворы, насыщенные окисленными вариантами углерода, а затем оказаться в породах, запрещающих дальнейшее окисление (или даже, напротив, переводящих углекислоту в углерод), то есть превращение алмазов в обычный углекислый газ. Необходимость столь резкого чередования условий в магматических флюидах (растворах, расплавах или их смеси) всегда вызывала у ученых некоторое сомнение.

Димитри Сверженски (Dimitri Sverjensky), геохимик из Университета Джонса Хопкинса (Балтимор, США), и его аспирант Хуан Фан (Fang Huang) предложили превосходный выход из этого химического тупика. Для этого им потребовалось критически пересмотреть привычные модели образования алмазов. Когда обсуждается эта проблематика, то в качестве отправной точки берутся водные растворы углерода, водорода и кислорода — их мысленно помещают в условия высокого давления (больше 3 ГПа) и температур (около 1000°C), при которых формируются алмазы. А как же окружающие породы? Действительно, они же никуда не исчезают, почему бы и их не принять в расчет. Авторы работы считают, что изначальное упрощение химических процессов стало до того привычным, что реальность просто перестала замечаться специалистами. Но если учесть присутствие различных силикатных и карбонатных материалов, вмещающих флюиды, то химия этих процессов становится куда интереснее.

При столь высоких давлениях и температурах вода легко растворяет карбонатсодержащие минералы. При этом в раствор переходят протоны, и его pH снижается (то есть раствор становится кислее). В кислых условиях растворение идет с еще большей скоростью. В результате двухступенчатого химического процесса карбонатные материалы разлагаются, высвобождая углерод, который в таких условиях существует в виде карбонатов и бикарбонатов, углекислого газа, а также ряда органических молекул. Алмазы, как показывают расчеты равновесных химических процессов, получаются из простых органических молекул, остатков уксусной и муравьиной кислот — продуктов этих реакций (химикам будет интересно взглянуть на формулы реакций, они приведены в обсуждаемой статье, которая опубликована в открытом доступе).

Расчетные количества водных растворов углеродсодержащих соединений в реакциях воды и эклогита при давлении 5 ГПа и температуре 900°C. По оси абсцисс отложен логарифм скорости реакции, рассчитанной по относительному количеству растворенного минерала. По оси ординат отложено относительное число молей веществ на 1 кг воды. Кривая накопления количества алмазов (красная) почти зеркально отражает количество ионов муравьиной кислоты (черная линия) в растворе, потому что углерод для алмазов берется почти полностью из нее (как видно, содержание ионов пропионовой кислоты, показанной голубой линией, в ходе эксперимента мало менялось). График из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Получается, что никакой смены окислительно-восстановительных условий не требуется: в этих реакциях количество кислорода (а точнее, его парциальное давление) остается более или менее постоянным. А чтобы реакция пошла, нужно только понизить кислотность среды. Это происходит само собой при взаимодействии воды с магматическими породами при известных условиях.

Но это всё были модельные расчеты, основанные на знаниях поведения реагентов в определенных условиях. Важно, что ученым удалось провести и эксперименты, в которых они проверили, как растворяется эклогит в условиях, соответствующих формированию алмазов (в данном случае — 5 ГПа и 900°C, что соответствует глубинам примерно 150–200 км), и заодно вычислили параметры для модели растворения пород для различных температур и давлений. Эксперимент проходил в специальных термокамерах, предусматривающих возможность количественного измерения растворенных элементов. Затем полученный элементный спектр сравнили с включениями в алмазах, отражающими состав флюидов при их формировании. Спектры получились в целом схожие, а различия, как указали авторы работы, отражают опять-таки наше упрощенное и усредненное представление о свойствах растворенных веществ в условиях формирования флюидов.

Что нам дает эта работа? Собственно, алмазов она не прибавляет, а также не упрощает поиск новых месторождений и кимберлитовых трубок. Зато если модель верна, то ясно, что синтез алмазов должен идти повсеместно, так как для этого не требуется никаких уникальных смен окислительно-восстановительных условий на пути флюидных растворов. Это само по себе интересно. Кроме того, новая модель геохимических процессов в глубоких слоях коры и верхних слоях мантии заставляет пересмотреть пути глобального круговорота углерода. Ведь углерод, поступающий с карбонатными породами в мантийные слои в зонах субдукции, не захоранивается там навсегда, а вместо этого при определенных условиях начинает снова переходить в раствор и возвращается обратно в глобальный круговорот.

Ученые, занимающиеся подобными планетарными расчетами, приняв модель Сверженски, должны пересчитать всё по-новому. Это повлечет пересмотр самых разных глобальных расчетов, в том числе и климатических, так как многие из них увязаны с углеродным циклом. Вскоре мы такие обновленные расчеты наверняка увидим. Еще одно следствие из новой модели — возможность образования нефти в глубоких слоях земной коры. Если образуются различные виды органических молекул, то среди них могут быть и углеводороды, составляющие нефть, а также пища для обитателей глубинных биосфер (см. статьи 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). Этому авторы работы собираются посвятить отдельную публикацию с рядом экспериментальных доказательств.

Источник:
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.

Елена Наймарк