Если вы когда-либо держали в руках или видели алмаз — он скорее всего извлечен из кимберлита. Более 70% мировых алмазов добываются из этих уникальных вулканических структур. Однако несмотря на десятилетия исследований, механизмы этих кимберлитовых извержений до сих пор не вполне ясны.
Кимберлиты — вулканические трубки в форме моркови, которые поднимаются с глубин мантии более 150 км — давно привлекают геологов как окна в недра Земли. Их расплав, образовавшийся в мантии, очень быстро движется к поверхности — по некоторым оценкам, скорость может превышать 120 км/ч; по пути магма захватывает ксенолиты и ксенокристы, встретившиеся на ее пути.
Это очень интересные и до сих пор очень загадочные породы, хотя они хорошо изучены, уверена Ана Анзулович, докторант-исследователь Центра планетарной обитаемости Университета Осло.
Вместе с коллегами она сделала большой шаг к разгадке этой тайны, результатом чего стало исследование в журнале Geology. Смоделировав, как летучие соединения, такие как диоксид углерода и вода, влияют на плавучесть протокимберлитового расплава по отношению к окружающим материалам, они впервые количественно определили, что требуется для извержения кимберлита.
Алмазы попадают на поверхность в кимберлитах, потому что их быстрый подъем не дает им превратиться в графит, более стабильный при низких давлениях и температурах. Но состав исходного расплава кимберлита — и то, как он поднимается так быстро — оставался загадкой.
«Они начинаются как нечто, что мы не можем измерить напрямую. Так что мы не знаем, каким был бы протокимберлитовый, или родительский, расплав. Мы знаем приблизительно, но вся наша информация, по сути, получена из оказавшихся на поверхности сильно измененных пород», — объясняет геохимик.
Объектом изучения стал кимберлит Джерико в кратоне Слейв на крайнем северо-западе Канады. Используя химическое моделирование, авторы проверили различные исходные смеси диоксида углерода и воды.
«Идея заключалась в следующем: давайте попробуем создать химическую модель кимберлита, а затем будем варьировать содержание CO2 и H2O. Это заменит нам взятие проб кимберлита по мере его подъема в различных точках давления и температуры», — говорит Анзулович.
Исследователи использовали программное обеспечение для молекулярной динамики, чтобы смоделировать атомные силы и отслеживать, как включения в кимберлитовом расплаве движутся на разных глубинах. На основе этих расчетов определили плотность расплава в различных условиях и оставался ли он достаточно текучим, чтобы подниматься.
«Самое важное, что мы вынесли из этого исследования, — нам удалось определить количество CO2, необходимое кимберлиту Джерико для успешного подъема через кратон Слейв. Самая богатая летучими веществами композиция может донести до поверхности, например, до 44% мантийного перидотита — это действительно впечатляющая цифра для расплава с такой низкой вязкостью», — продолжает исследовательница.
Ученые уточнили роль каждого из летучих участников процесса. Вода увеличивает диффузию, сохраняя расплав текучим и подвижным. Диоксид углерода помогает структурировать расплав при высоких давлениях, но ближе поверхности он дегазирует и способствует продвижению извержения вверх.
Исследователи впервые показали, что для извержения кимберлиту Джерико нужно не менее 8,2% CO2 — без него алмазы останутся запертыми в мантии.
«Я, честно говоря, немного удивлена, что можно взять необольшую систему и фактически наблюдать: "Хорошо, если я не добавлю углерод, этот расплав будет плотнее, чем кратон, поэтому извержения не произойдет". Здорово, что моделирование химии кимберлита помогает понять такой масштабный процесс», — заключила Анзулович.
Воду можно превратить в суперкислоту, в которой образуются алмазы
Стало известно, как алмазы попадают на поверхность Земли
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram