Мантия Земли — это беспокойный и загадочный механизм, который запускает вулканическую активность, перерабатывает кору и регулирует долгосрочную эволюцию планеты. Однако одну из её самых неуловимых характеристик — окислительно-восстановительное состояние, или баланс окисленных и восстановленных химических соединений — трудно измерить напрямую.
Новое исследование под руководством Яэль Кемпе и Яакова Вайса из Института наук о Земле Еврейского университета предлагает редкий взгляд на эти глубинные процессы, зафиксированные в нано- и микровключениях в алмазах из южноафриканской шахты Вурспоед. Исследование [опубликовано](https://www.nature.com/articles/s41561-025-01791-4) в журнале Nature Geoscience.
Модели и эксперименты под высоким давлением
В течение десятилетий модели и эксперименты под высоким давлением предполагали, что металлические сплавы, богатые никелем, должны стабилизироваться в мантии на глубинах примерно 250–300 км. Однако естественных образцов, подтверждающих эти прогнозы, было крайне мало.
Команда Вайса, работавшая с коллегами из Университета Невады, Кембриджского университета и Наноцентра Еврейского университета, идентифицировала металлические нановключения железо-никеля и микровключения никелевых карбонатов, сохранившиеся внутри алмазов, которые образовались на глубине 280–470 км под поверхностью Земли. Эти включения представляют собой первое прямое доказательство наличия богатых никелем сплавов на их прогнозируемой глубине — долгожданное подтверждение моделей окислительно-восстановительных свойств мантии.
Минеральные включения алмазов
Минеральный состав алмазов также включает коэсит, калиевые алюмосиликатные фазы и включения молекулярного твёрдого азота, что служит несколькими маркерами давления, которые однозначно определяют их происхождение из глубокой верхней мантии и мелководной переходной зоны.
Значение находки
Значение находки выходит за рамки простого подтверждения теоретических моделей. Сосуществование сплава железо-никель и карбоната, богатого никелем, указывает на метасоматическую окислительно-восстановительную реакцию «замораживания» — динамическое взаимодействие, при котором окисленный карбонатитово-силикатный расплав проникал в восстановленный перидотит, содержащий металлы.
Это присоединяется к более ранним доказательствам с меньших глубин, что это основной способ формирования природных алмазов. В такой среде предпочтительное окисление железа по сравнению с никелем приводило к обогащению остаточного сплава никелем. В то же время карбонаты, богатые никелем, и алмазы кристаллизовались из расплава.
По сути, алмазы зафиксировали мимолетный геохимический момент: превращение восстановленной мантийной породы в более окисленную, богатую летучими веществами область и восстановление карбонатов с образованием алмазов.
«Это редкий снимок химии мантии в действии», — говорит Вайс. «Алмазы действуют как крошечные капсулы времени, сохраняя реакцию, которая в противном случае исчезла бы, поскольку минералы повторно уравновешиваются с окружающей средой».
Широкие последствия
Эти находки имеют широкие последствия. Если локализованные метасоматические реакции периодически окисляют небольшие участки мантии, они могут помочь объяснить, почему некоторые включения в других суперглубоких алмазах фиксируют неожиданно высокие окисленные условия.
Такие процессы также проливают свет на происхождение магм, богатых летучими веществами. Обогащение мантийного перидотита карбонатом, калием и несовместимыми элементами во время этих окислительно-восстановительных событий могло подготовить мантию к последующему формированию кимберлитов, лампроиров и даже некоторых базальтов океанских островов.
Иными словами, крошечные включения в алмазах Вурспоед намекают на крупномасштабные связи между субдукцией, динамикой окислительно-восстановительных свойств мантии и генерацией магм, которые формируют континенты и приносят алмазы на поверхность.
Исследование подчёркивает научную ценность алмазов как чего-то большего, чем просто драгоценных камней. Их включения — будь то нанометровые сплавы или минералы, находящиеся под высоким давлением, — предлагают один из немногих естественных способов регистрации условий, существующих на глубине в сотни километров под нашими ногами.
Работа Кемпе и Вайса знаменует собой веху: первое естественное подтверждение наличия богатых никелем сплавов на глубинах мантии, предсказанных теорией, и яркую иллюстрацию того, как окислительно-восстановительный ландшафт Земли эволюционирует в результате взаимодействия расплава и породы.
По мере того как исследователи продолжают исследовать эти минеральные капсулы времени, мы можем обнаружить, что алмазы, когда-то являвшиеся символами постоянства, также являются рассказчиками перемен — свидетелями скрытой химии мантии и процессов, которые продолжают формировать нашу динамичную планету.
Предоставлено Еврейским университетом в Иерусалиме.