Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Ли Биллингс
«5 000 000 000 лет одиночества». Глава из книги


А. Панчин
«Сумма биотехнологии». Глава из книги


И. Левонтина
«О чем речь». Главы из книги


А. Захаров
Нейрогастрономия


А. Водовозов
С запахом горького миндаля


В. Власюк
50 лет САО


Ч. Уилан
«Голая статистика». Главы из книги


Интервью М. Гельфанда с С. Шлосманом
«Замечательная статья» значит только то, что она содержит замечательный результат


П. Лекутер, Д. Берресон
«Пуговицы Наполеона». Глава из книги


Д. Вибе
Телескопы с жидкими линзами: как это работает







Главная / Новости науки версия для печати

Алмазы в земной коре синтезируются проще, чем предполагали раньше


Кимберлитовая трубка «Мир»

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

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


Комментарии (10)



Последние новости: МинералогияГеологияГеохимияЕлена Наймарк

22.06
Рыбки-брызгуны хорошо различают человеческие лица
15.06
Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников
8.06
Новые древние остатки людей с острова Флорес говорят о родстве «хоббитов» с эректусами
1.06
Половой отбор сделал сперматозоиды дрозофил самыми длинными в мире
26.05
Очертания видового ареала определяются экологическими свойствами вида
18.05
Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий
12.05
Атмосферное давление на древней Земле было в два раза ниже современного
3.05
Создан семантический атлас человеческого мозга
28.04
Малыши гигантских динозавров росли очень быстро
19.04
Птицы учатся строить гнезда у своих знакомых

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия