Международная группа ученых в ходе двухлетнего исследования детально изучила минеральные включения в 46 алмазах, захваченные в процессе их кристаллизации. Включения представляют собой образцы среды, в которой формировались алмазы. Анализ этих образцов методом рамановской спектроскопии показал, что в момент захвата алмазами они находились в нижней мантии — значит, именно в этой части земных недр и образовались алмазы. Источником бора в этом случае могли послужить погружающиеся фрагменты океанических литосферных плит, которые попутно поставляли в нижнюю мантию не только бор, но и водород, насыщая ее этими элементами и создавая условия, необходимые для роста кристаллов.

Круговорот вещества в масштабах Земли обеспечивается за счет тектоники плит. Основные механизмы на данный момент уже довольно хорошо изучены: это субдукция (погружение плотной и тонкой океанической коры базальтового состава под более легкую и толстую континентальную плиту гранитного состава) и спрединг(образование новой океанической коры в зоне срединно-океанических хребтов, где плиты раздвигаются).

На спрединг можно почти в буквальном смысле посмотреть: либо с помощью спускаемых глубоководных аппаратов, либо поднять новообразованные породы драгами, либо же взглянуть на древние фрагменты океанической коры, например, на Кипре или в Омане, где их выдавило на поверхность за счет тектонических процессов. Изучать субдукцию и дезинтеграцию океанической коры несколько сложнее: эти процессы происходит в основном в земной мантии. Что-то можно узнать геофизическими методами — сейсморазведкой или магнитотеллурическим зондированием, — где-то выручают эксперименты на прессах (multi-anvil press) или алмазных наковальнях, позволяющие воссоздать условия в недрах Земли. Но важные вопросы все равно остаются. Как глубоко погружается кора и сколько ее «доезжает» до разных глубин? На каких «остановках» этого «поезда» к ядру Земли сходят легкие химические элементы — водород, бор, углерод, азот, которые предположительно должны были «всплыть» в кору и содержание которых в мантии пока не до конца изучено? Понятно только примерное положение конечной станции — глубина 2900 км. Это граница внешнего ядра и нижней мантии (см. Core–mantle boundary): ниже утонуть уже особенно некуда — там слишком горячее и плотное ядро.

И здесь работа геохимика начинает напоминать работу детектива-криминалиста: нужно выделять характерные наборы и концентрации элементов в одной породе и искать их следы в других породах или процессах, изначально совершенно не связанных с исходной породой. Поскольку пробурить скважину к центру Земли, чтобы напрямую отобрать пробы, вряд ли получится в обозримом будущем — это все же не роман Жюля Верна, — то остается рассчитывать на те ничтожные количества материи, которые попадают из глубины на поверхность естественным путем, исследуя материал древних вулканов, подводящие каналы которых сейчас называем кимберлитовыми трубками. Самое грустное, что и такой материал подходит для изучения лишь в очень редких случаях: при высоких температурах и давлениях стабильны совершенно иные химические фазы и при подъеме наверх химические соединения порой разваливаются на несколько других и меняют свою кристаллическую структуру. К примеру, гранат мейджорит (majorite) Mg₃(Fe²⁺, Si, Al)₂(SiO₄)₃ при снижении давления становится смесью граната Mg₃Al₂Si₃O₁₂ и пироксена (Mg, Fe, Al)₂Si₂O₆, а стабильный при давлениях выше 6 ГПа стишовит (stishovite) SiO₂ при подъеме на поверхность меняет структуру и превращается сначала в коэсит (с той же формулой), а потом — в кварц.

Но некоторые минералы могут пережить почти все, что угодно. И главный из них — алмаз. Он может образовываться на разных глубинах и, если в процессе роста кристалла алмаза в нем застряло вещество из окружающей среды, то выросший кристалл послужит сверхпрочной капсулой для таких минеральных включений. Изучение включений в алмазах, на данный момент, наряду с экспериментами на специальных прессах, является основным источником знаний о мантии Земли и происходящих в ней процессах (см. новости Карбонатные осадки океана могут окислять вещество земной мантии, «Элементы», 14.02.2018 и Нитриды и карбонитриды из нижней мантии могут помочь найти потерянный азот, «Элементы», 17.11.2017). Более того, алмазы настолько прочные, что могут сохранять внутри себя вещество под давлением в несколько гигапаскалей. Кроме всего прочего алмазы бывают прозрачны, а значит, для изучения включений не обязательно доставать их из камня, достаточно сфокусировать лазер и снять спектр комбинационного рассеяния. Хотя, конечно, потом хорошо бы достать и нормально измерить химический состав и другие свойства, спектроскопия дает возможность понять, какие соединения есть во включении, но не количественные соотношения элементов в них.

Фото: Слева — алмаз Хоупа без оправы, фото с сайта en.wikipedia.org. Справа — один из исследованных в обсуждаемой статье алмазов (образец 110208425476), в котором хорошо видны минеральные включения; фото из обсуждаемой статьи в Nature

Читать далее.