Diamenty od wieków fascynują ludzi swoim blaskiem i trwałością, ale okazuje się, że ich prawdziwa wartość może kryć się zupełnie gdzie indziej. Te szlachetne kamienia wydobywane w południowoafrykańskiej kopalni Voorspoed stały się niespodziewanie kluczem do zrozumienia procesów zachodzących setki kilometrów pod naszymi stopami.
Naukowcom po raz pierwszy udało się znaleźć bezpośrednie dowody na istnienie procesów redoks w głębokim płaszczu Ziemi. To przełomowe odkrycie rzuca nowe światło na to, co dzieje się w miejscach, gdzie panują temperatury przekraczające 1000oC, a ciśnienie jest tysiące razy większe niż na powierzchni. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Geoscience.
Diamenty z kopalni Voorspoed to naturalne archiwum geologiczne
Badacze z Instytutu Nauk o Ziemi Uniwersytetu Hebrajskiego pod kierunkiem Yael Kempe i Yaakova Weissa dokonali niezwykłego odkrycia. Diamenty z kopalni Voorspoed w RPA ujawniły pierwsze naturalne dowody na tworzenie się niklonośnych stopów metalicznych na głębokości od 280 do 470 km pod powierzchnią. Co ciekawe, te mikroskopijne struktury są niewidoczne gołym okiem, a mimo to niosą przełomowe informacje o procesach dotychczas znanych głównie z teorii.
Diamenty od dawna są cenione nie tylko jako klejnoty, ale również jako wyjątkowe archiwa geologiczne. Powstają w ekstremalnych warunkach głęboko pod powierzchnią Ziemi, “zamrażając” w swojej strukturze fragmenty otaczającego je środowiska. W przypadku diamentów z Voorspoed, te zamknięte inkluzje okazały się prawdziwym skarbem naukowym.
Fragment południowoafrykańskiego diamentu ukazujący liczne strefy bogate w inkluzje oraz wżery powstałe w wyniku ablacji laserowej, pochodzące z próbek mikroanalitycznych /Fot. Hebrew University of Jerusalem
Odkryte w diamentach nanoinkluzje niklowo-żelaznych stopów metalicznych oraz mikroinkluzje niklonośnych węglanów dokumentują proces, który dotąd znany był jedynie z modeli komputerowych. Chodzi o reakcję, w której utlenione stopione substancje wchodzą w interakcję ze zredukowanymi skałami płaszcza. Współistnienie stopu niklowo-żelaznego i niklonośnego węglanu wskazuje na tzw. reakcję redox-freezing.
W tym niezwykłym środowisku geologicznym zachodzi preferencyjne utlenianie żelaza względem niklu. Rezultatem jest wzbogacenie resztkowego stopu w nikiel, podczas gdy z topnienia krystalizują niklonośne węglany i diamenty. To jak obserwowanie chemicznej fabryki działającej w ekstremalnych warunkach głęboko pod powierzchnią Ziemi.
Yaakov Weiss z Uniwersytetu Hebrajskiego mówi:
To rzadka migawka chemii płaszcza w akcji. Diamenty działają jak maleńkie kapsuły czasu, zachowując reakcję, która w przeciwnym razie zniknęłaby, gdy minerały ponownie zrównoważyłyby się ze swoim otoczeniem.
Nowe odkrycie pomaga wyjaśnić pewną sprzeczność, z którą borykali się dotąd naukowcy. Z jednej strony badania ksenolitów płaszcza oraz eksperymenty laboratoryjne wskazywały na spadek lotności tlenu wraz z głębokością do ok. 250 km. Z drugiej strony, granaty (minerały) pochodzące z głębokości 250-500 km rejestrowały bardziej utlenione warunki niż przewidywały modele.
Odkrycie ma znaczenie nie tylko dla czysto teoretycznych rozważań. Procesy redox-freezing rzucają światło na pochodzenie magm bogatych w substancje lotne, takich jak kimberlity, lamprofiry, a nawet niektóre bazalty wysp oceanicznych. Kimberlity to szczególny typ skał magmowych, które wynoszą diamenty z głębi na powierzchnię Ziemi w spektakularnych erupcjach wulkanicznych.
Dotychczas mechanizm powstawania kimberlitów pozostawał zagadką. Nowe badania sugerują, że wzbogacenie perydotytów płaszcza w węglany, potas i pierwiastki niekompatybilne podczas reakcji redoks może przygotowywać płaszcz do późniejszego tworzenia się tych niezwykłych magm. To pokazuje, jak procesy zachodzące setki kilometrów pod powierzchnią mają bezpośredni wpływ na aktywność wulkaniczną obserwowaną na powierzchni.