Earth core structure illustrated with geological layers according to scale.
For billions of years, extreme heat and pressure may have shaped diamond production in the zone where Earth's core meets the mantle. (Image credit: Johan Swanepoel/Alamy Stock Photo)
A szélsőséges kémiai reakciók magyarázatot adhatnak arra, hogy a Föld középső rétegében miért van annyi szén.
A Föld olvadt fémmagja és a köpeny közötti határzóna, sziklás középső rétege egy gyémántbánya lehet.
Egy új laboratóriumi kísérlet azt találta, hogy szélsőséges hőmérsékleten és nyomáson a vas, a szén és a víz kombinációja – a mag-köpeny határán található összes lehetséges összetevő – gyémántot képezhet.
Ha ez a folyamat mélyen a Föld belsejében is megtörténik, az megmagyarázhatja a köpeny néhány furcsa furcsaságát, többek között azt, hogy miért van benne több szén, mint amennyit a tudósok várnak.
Az eredmények segíthetnek megmagyarázni a furcsa struktúrákat is a mag-köpeny határában, ahol a földrengések hullámai drámaian lelassulnak. Ezeket az „ultraalacsony sebességű zónáknak” nevezett régiókat furcsa köpeny-struktúrákkal társítják, köztük két óriási foltot Afrika és a Csendes-óceán alatt; átmérőjük csak néhány mérföld vagy több száz lehet.
Senki sem tudja pontosan, mik ezek. Egyes tudósok szerint 4,5 milliárd éves múltra tekintenek vissza, és a nagyon ősi Földről származó anyagokból készültek.
Az új kutatás azonban azt sugallja, hogy e zónák egy része a lemeztektonikának köszönheti létezését, amely valószínűleg jóval a Föld kialakulása után, talán 3 milliárd évvel ezelőtt kezdődött.
Egy új gondolattal egészítjük ki, hogy ezek nem teljesen régi szerkezetek” – mondta a Live Science-nek Sang-Heon Shim, a tanulmány vezető szerzője, az Arizonai Állami Egyetem geotudósa.
A mély Föld szimulálása
Ahol a mag találkozik a köpennyel, a folyékony vas a szilárd kőzethez dörzsölődik. Ez ugyanolyan drámai átmenet, mint a kőzet-levegő határfelület a Föld felszínén, mondta Shim a Live Science-nek.
Egy ilyen átmenetnél, különösen magas nyomáson és hőmérsékleten, furcsa kémia fordulhat elő. Sőt, a földrengéshullámok visszaverődését használó tanulmányok a köpeny leképezésére kimutatták, hogy a kéregből származó anyagok behatolhatnak a mag-köpeny határáig, mintegy 3000 kilométerrel a Föld felszíne alatt.
A szubdukciós zónákban a tektonikus lemezek egymás alá nyomulnak, és az óceáni kérget a felszín alá hajtják. Az óceáni kéregben lévő kőzetek ásványi anyagaikban víz van zárva. Ennek eredményeként, mondta Shim, lehetséges, hogy víz található a mag-köpeny határán, és ott kémiai reakciókat indíthat el.
(Az egyik elmélet az Afrika és a Csendes-óceán alatti köpenyfoltok párjával kapcsolatban az, hogy torz óceáni kéregből állnak, amelyet mélyen a köpenybe nyomtak, és potenciálisan vizet is hordozhatnak magukkal.)
A gyémántok magas hőmérsékletű, nagy nyomású körülmények között keletkeznek, mint például a mag-köpeny határán. (Kép jóváírása: Sang-Heon Shim, Arizona State University)
Az ötlet tesztelésére a kutatók összegyűjtötték a mag-köpeny határán rendelkezésre álló összetevőket, és gyémánt üllőkkel préselték össze őket, így akár 140 gigapascal nyomást is generáltak. (Ez körülbelül 1,4 milliószorosa a tengerszinti nyomásnak.)
A kutatók a mintákat 6830 Fahrenheit-fokra (3776 Celsius-fokra) is felmelegítették. „Megfigyeltük, hogy milyen reakció történik, amikor felmelegítettük a mintát”
– mondta Shim.
„Aztán gyémántot észleltünk, és váratlan elemcserét észleltünk a kőzet és a folyékony fém között.” Gyémántok kidolgozása Shim szerint a mag-köpeny határának nyomása és hőmérséklete alatt a víz egészen másképpen viselkedik, mint a Föld felszínén.
A hidrogénmolekulák kiválnak az oxigénmolekulákról. A nagy nyomás miatt a hidrogén a vas felé gravitál, amely a mag nagy részét alkotó fém. Így a vízből származó oxigén a köpenyben marad, míg a hidrogén összeolvad a maggal. Amikor ez megtörténik, úgy tűnik, hogy a hidrogén félrenyomja a magban lévő más könnyű elemeket, beleértve, döntően a szenet. Ez a szén kikerül a magból és a köpenybe kerül.
A mag-köpeny határán jelenlévő magas nyomáson a szén legstabilabb formája a gyémánt. – Így képződik a gyémánt – mondta Shim.
Ezek nem ugyanazok a gyémántok, amelyek egy eljegyzési gyűrűben csilloghatnak; a legtöbb gyémánt, amely feljut a felszínre, és végül valakinek az ékszerévé válik, nem néhány ezer, hanem néhány száz kilométer mélyen formálódik.
A mag-köpeny gyémántok azonban valószínűleg lebegőek, és a kéregben végigsöpörhetnek, miközben elosztják szénüket. A köpenyben háromszor-ötször több szén található, mint amennyit a kutatók a csillagokban és más bolygókon lévő elemek aránya alapján várnának.
A Föld ezen rétegében talált gyémántok magyarázatot adhatnak az eltérésre, mondta Shim. Ő és csapata kiszámította, hogy ha az óceáni kéregben lévő víznek akár 10-20%-a is eljut a mag-köpeny határáig, akkor elegendő gyémántot tud kipermetezni a kéreg széntartalmának magyarázatához.
