Сотрудники Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН и Новосибирского государственного университета совместно с коллегой из Германии предложили и экспериментально обосновали модель образования алмаза в условиях мантии Земли при воздействии электрического поля. Полученные результаты ясно демонстрируют, что электрические поля могут значимо влиять на мантийные минералообразующие процессы, изотопное фракционирование углерода и глобальный углеродный цикл. Статья об этом исследовании вышла в высокорейтинговом журнале Science Advances.
Беспрессовый аппарат высокого давления БАРС, разработанный в ИГМ СО РАН (А), многопуансонный блок
Несмотря на множество теоретических, термодинамических и экспериментальных работ, посвященных исследованию алмаза, ключевые аспекты, связанные с механизмами образования этого минерала, всё еще остаются дискуссионными. В основном формирование алмазов в природе связывают с мантийными процессами, сопровождающимися окислительно-восстановительными реакциями, в результате которых происходит окисление углеводородов или восстановление CO2 до элементарного углерода. Экспериментальные исследования возможных механизмов образования алмазов пока единичны. Учитывая большое разнообразие этих уникальных минералов, отличающихся по морфологии, свойствам, ассоциациям и связям с глобальными геодинамическими процессами, ученые предположили, что за их кристаллизацию могут быть ответственны различные движущие силы.
«Наша работа основана на гипотезе, что в формирование алмазов в мантии Земли может быть вовлечен электрохимический процесс. Возможное его существование мы предположили исходя из имеющихся данных о высокой электрической проводимости мантийных расплавов и флюидов с учетом электрохимических процессов, возникающих в глубинных зонах Земли в связи с вариациями магнитного поля и неоднородностью мантии планеты по окислительно-восстановительному потенциалу. Чтобы оценить возможность образования алмаза в мантийных средах за счет действия электрического поля, мы разработали специальные ячейки высокого давления и провели эксперименты в модельных средах, состав которых соответствует включениям в природных алмазах», — рассказывает руководитель проекта, заведующий лабораторией экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса ИГМ СО РАН доктор геолого-минералогических наук Юрий Николаевич Пальянов.
Как известно, в верхней мантии Земли, помимо силикатных пород, составляющих основную ее часть, присутствуют также карбонатные и карбонатно-силикатные расплавы. О тесной «генетической» связи алмаза и карбонатсодержащих расплавов существует множество свидетельств. Поэтому для проведения экспериментов ученые решили использовать карбонатные и карбонатно-силикатные среды и поместить их в специально разработанную электрохимическую ячейку, позволяющую в условиях высоких температур и давлений расплавить исходные вещества и воздействовать на них электрическим полем.
«В результате нашего исследования установлено, что за счет разности потенциалов в карбонатном или карбонатно-силикатном расплавах запускается серия электрохимических реакций, которая в конечном итоге приводит к кристаллизации алмаза на катоде (отрицательно заряженном электроде). Алмаз образуется из углерода, исходно содержащегося в структуре карбоната. При этом карбонатный расплав действует как единственный источник углерода и как среда кристаллизации для алмаза», — добавляет исследователь.
Карты распределения Ca, Mg и О в образце после электрохимического эксперимента с доломитовым (CaMg(CO3)2) составом (А) и микрофотографии кристаллов алмаза и графита, полученных в зоне катода (Б); Pc — периклаз (MgO), Dm — алмаз, Gr — графит, Lcarb — карбонатный расплав; Lcarb-sil —
Благодаря работе ученых впервые продемонстрировано, что кроме известных основных факторов, влияющих на образование алмаза: давления, температуры, состава среды кристаллизации и фугитивности кислорода (окислительно-восстановительного состояния среды), - существует еще один, запускающий весь процесс формирования нового минерала, — разность потенциалов.
«Оригинальная методика и первые экспериментальные данные открывают перспективы дальнейших исследований в минералогии, петрологии и геохимии мантии Земли под действием электрических полей. Более того, наш подход представляет интерес для разработки новых способов получения алмазов и других углеродных материалов со специальными свойствами», — говорит Юрий Пальянов.
Работа проводилась в сотрудничестве с ученым из Потсдамского центра наук о Земле. Исследование выполнено за счет гранта РНФ № 19-17-00075 «Экспериментальное моделирование механизмов образования алмаза», руководитель — Юрий Николаевич Пальянов.
Андрей Фурцев
Фото предоставлены Юрием Пальяновым
Источник информации и фото: Управление по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН
