Если вы когда-либо держали в руках алмаз, велика вероятность, что он появился на свет благодаря кимберлиту. Более 70% алмазов в мире добывают из этих уникальных вулканических структур. Однако, несмотря на десятилетия исследований, учёные всё ещё пытаются понять, как именно кимберлиты вырываются из глубин земной мантии на поверхность.
Кимберлиты: загадочные «морковки» из глубин Земли
Кимберлиты — это своеобразные «морковки» вулканических труб, которые извергаются из мантии на глубине более 150 км. Они давно привлекают внимание геологов как окна в глубины Земли. Их мантийный расплав быстро поднимается через мантию и кору со скоростью до 80 миль в час, прежде чем кимберлиты с силой извергнутся на поверхность. По пути магма захватывает ксенолиты и ксенокристы — фрагменты пород, встреченных на её пути.
«Это очень интересные и всё ещё загадочные породы», — говорит Ана Анзулович, докторант Центра планетарной обитаемости Университета Осло.
Прорыв в понимании кимберлитов
В исследовании, опубликованном в этом месяце в журнале Geology, Ана Анзулович и её коллеги из Университета Осло сделали важный шаг к разгадке этой загадки. Они смоделировали, как летучие соединения, такие как углекислый газ и вода, влияют на плавучесть протокимберлитового расплава по сравнению с окружающими материалами, и впервые количественно определили, что требуется для извержения кимберлита.
Алмазы попадают на поверхность в кимберлитах, потому что их быстрый подъём предотвращает превращение их в графит, который более стабилен при низком давлении и температуре. Но состав исходного расплава кимберлита и то, как он поднимается так быстро, оставались загадкой.
«Они начинаются с того, что мы не можем измерить напрямую», — говорит Анзулович. «Мы не знаем, каким был бы протокимберлитовый — или родительский — расплав. Мы знаем приблизительно, но всё, что мы знаем, в основном исходит из сильно изменённых пород, которые попадают на поверхность».
Чтобы определить состав этих родительских расплавов, команда сосредоточилась на кимберлите Джерико, который прорвался в кратоне Слейв на крайнем северо-западе Канады. Используя химическое моделирование, они проверили различные исходные смеси углекислого газа и воды.
«Наша идея заключалась в том, чтобы создать химическую модель кимберлита, а затем варьировать CO₂ и H₂O», — говорит Анзулович. «Представьте, что вы пытаетесь взять образец кимберлита, когда он поднимается на разных глубинах и при разных давлениях и температурах».
Исследователи использовали программное обеспечение для молекулярной динамики, чтобы смоделировать атомные силы и отследить, как атомы в кимберлитовом расплаве движутся при различных глубинах. На основе этих расчётов они определили плотность расплава при различных условиях и то, оставался ли он достаточно плавучим, чтобы подниматься.
«Самый важный вывод из этого исследования заключается в том, что нам удалось ограничить количество CO₂, необходимое в кимберлите Джерико для успешного подъёма через кратон Слейв», — говорит Анзулович. «Наш наиболее богатый летучими состав может поднять до 44% мантийного перидотита на поверхность, что является действительно впечатляющим числом для такого расплава с низкой вязкостью».
Исследование также показывает, как летучие вещества играют разные роли. Вода увеличивает диффузию, сохраняя расплав жидким и подвижным. Углекислый газ помогает структурировать расплав при высоком давлении, но у поверхности он дегазирует и вызывает извержение вверх. Впервые исследователи продемонстрировали, что для извержения кимберлита Джерико необходимо не менее 8,2% CO₂; без него алмазы остались бы запертыми в мантии.
«Я была удивлена, что могу взять такую маленькую систему и фактически наблюдать: „Хорошо, если я не добавлю никакого углерода, этот расплав будет плотнее, чем кратон, и не извергнется“», — говорит Анзулович. «Здорово, что моделирование химии кимберлитов может иметь значение для такого крупномасштабного процесса».
Предоставлено Геологическим обществом Америки.