Минерал из глубин

На фото — алмаз из Ботсваны размером примерно 4 ×4 мм, в котором был обнаружен новый минерал, получивший название дейвмаоит. Но на фотографии его увидеть нельзя, так как его диаметр — лишь несколько микрометров (круглые выемки — следы от лазера). Это не первый раз, когда новые минералы открывают в виде крошечных включений внутри других, более крупных кристаллов. Но несмотря на свой незначительный размер они являются ценным источником информации о глубинном строении Земли.

Формула дейвмаоита (CaSiO₃) аналогична формуле распространенного метаморфического минерала волластонита, однако атомы дейвмаоита упакованы более плотно, в кубическую кристаллическую решетку. Синтетический аналог дейвмаоита был впервые получен в лабораторных условиях еще в 1975 году, только недавно его удалось достоверно определить в природном образце. Всё дело в том, что он не способен существовать при поверхностных давлении и температуре. Его можно найти только внутри другого минерала — алмаза.

Алмаз — это кубическая полиморфная форма углерода. Твердость алмаза принята за 10 по шкале Мооса, то есть это самый твердый минерал. Большинство алмазов кристаллизуется на глубинах 150–300 км. Однако небольшая часть образуется на глубине от 300 до 660 км и носит название сверхглубоких или сублитосферных континентальных алмазов. К ним, например, относят гигантские алмазы, добываемые на руднике Премьер возле города Куллинан в ЮАР.

«Куллинан», или «Звезда Африки» — самый большой и дорогой алмаз ювелирного качества в мире. Его размеры составляли 100×65×50 мм, масса — 3106,75 карата (621,35 грамм). Всего из осколков Куллинана было изготовлено 105 бриллиантов различного размера. Фото с сайта en.wikipedia.org

Алмаз — редкий, но крайне важный минерал. В промышленных масштабах алмазы добывают из россыпных месторождений, кимберлитовых и реже лампроитовых трубок взрыва. Алмазы также найдены в метеоритных кратерах (например, в сибирском кратере Попигай) и в породах сверхвысокого давления (Кумдыкульское месторождение алмазов в Казахстане). Но такие алмазы из-за своего маленького размера не представляют ценности в качестве ювелирного сырья.

A — кимберлитовая трубка «Мир», Якутия. Фото с сайта etosibir.ru. B, C — кимберлитовая порода. Фото с сайта mindat.org/photo-1052567 и mindat.org/photo-856737

Интерес исследователей к алмазам связан в первую очередь с тем фактом, что включения в них — это один из немногих инструментов, позволяющих заглянуть глубоко в мантию Земли и изучить ее непосредственно. Дело в том, что алмазы выступают своеобразной ловушкой, которая захватывает во время роста на глубине другие минералы и потом выносит их на поверхность.

Красные включения граната и бесцветные включения оливина в алмазе. Они близки к нему по форме и отражают симметрию зон и секторов роста кристалла алмаза. Это является признаком совместного происхождения минералов-включений и алмаза. Фото Антона Павлушина из статьи А. Д. Павлушин, 2006. Сага о несостоявшихся бриллиантах

Земля имеет слоистое внутреннее строение. Слои внутри Земли выделяют по плотностным и деформационным (реологическим) свойствам. Упрощенно, в центре расположено внутреннее железо-никелевое ядро. Далее внешнее ядро, также имеющее железо-никелевый состав, но с несколькими процентами кремния и кислорода. Над ними находится слой мантии мощностью около 2900 км, который состоит в основном из силикатов и оксидов. Мантию делят на верхнюю и нижнюю. Еще выше находится земная кора.

Схема внутреннего строения Земли: 1 — континентальная кора; 2 — океаническая кора; 3 — верхняя мантия; 4 — нижняя мантия; 5 — внешнее ядро; 6 — внутреннее ядро. А —поверхность Мохоровичича; В — граница Гутенберга; С — разрыв Лемана–Буллена. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Непосредственным наблюдениям поддается только дневная поверхность и образцы горных пород, полученных в результате бурения. Так, самая глубокая скважина на суше — Кольская сверхглубокая скважина — имеет вертикальную глубину 12 262 м, а отдельные скважины, пробуренные в рамках программ глубоководного бурения, достигают более 7 км. Но все попытки заполучить мантийные породы с помощью бурения пока не увенчались успехом.

Огромный вклад в изучение мантии вносят экспериментальные работы. В них различные породы (базальты, перидотиты и другие) и модельные составы подвергают воздействию мантийных температур и давлений. Благодаря этим работам установили, что с увеличением давления минералы переходят в другие свои модификации, с более плотной упаковкой атомов. Так, минерал оливин, который является основным породообразующим минералом ультраосновных пород, при давлении, соответствующем глубине около 410 км, переходит в вадслеит/уэдслиит, а тот на глубине 520 км — в рингвудит, и на глубине 660 км рингвудит переходит в (Mg,Fe)SiO₃ (в литературе это соединение называется силикатный перовскит (Silicate perovskite), оно не имеет отношения к перовскиту, а обозначает тип кристаллической структуры) и ферропериклаз ((Mg, Fe)O; Ferropericlase). Эти фазовые переходы минералов приводят к прерывистому увеличению плотности мантии Земли, что фиксируется сейсмическими методами.

Кристаллическая структура оливина (A), вадслеита (B), рингвудита (C) и (Mg,Fe)SiO₃ (D). Рисунок из статьи W. Wang et al., 2019. Silicon Isotope Geochemistry: Fractionation Linked to Silicon Complexations and Its Geological Applications

Но одно дело моделировать давление в лаборатории в контролируемых условиях и изучать минералы, возникшие в экспериментах, а другое — исследовать природные ассоциации минералов мантии. Как уже отмечалось, они могут быть подняты на земную поверхность в виде включений в алмазе. Одним из таких «гостей» с глубины и оказался открытый в ботсванском алмазе дейвмаоит.

Включение дейвмаоита (зеленое в красном круге), в алмазе (остальное поле). Так как включение находилось на глубине, анализ был произведен с помощью LA-ICPMS (масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой и лазерной абляцией). Данные о содержании элементов были вычислены из подсчета количества импульсов в секунду cps (counts per second) (верхний график). Изображение из статьи O. Tschauner et al., 2021. Discovery of davemaoite, CaSiO3-perovskite, as a mineral from the lower mantle

Дейвмаоит помимо кальция, кремния и кислорода может содержать уран, торий и калий в качестве элементов-примесей. Изотопы этих элементов, а именно ⁴⁰K, ²³²Th, ²³⁵U и ²³⁸U ответственны за большую часть внутреннего тепла Земли.

Мантийная конвекция, тектоника плит, горообразование, метаморфизм и вулканизм — во всем этом принимает участие внутренний тепловой поток. По разным оценкам, содержание дейвмаоита в нижней мантии составляет до 5–7%. Таким образом, он может играть важную роль в тепловом потоке в мантии.

Однако остается вопрос, каким образом кальций, кремний, кислород и радиоактивные элементы могли попасть настолько глубоко в мантию? В качестве возможного объяснения высказывают предположение о субдукции океанических базальтов на глубины, соответствующие верхним слоям нижней мантии, то есть около 660 км.

Фото из статьи A. Witze, 2021. Diamond delivers long-sought mineral from the deep Earth. Davemaoite is a vehicle for radioactive isotopes that help to heat the planet’s mantle.

Александр Марфин