Okazuje się, że diamenty są najlepszymi przyjaciółmi… geologów. W dzisiejszym wydaniu prestiżowego czasopisma naukowego „Science” naukowcy opisują, jak w zanieczyszczeniach diamentu pochodzącego z kopalni w Botswanie znaleźli minerał dawno przewidziany przez teorie. W jego wnętrzu zaś okryli zanieczyszczenia, które opowiadają historię pochodzącą setki kilometrów spod powierzchni Ziemi.

Diament powstał na głębokości większej niż 660 kilometrów, czyli w górnej warstwie płaszcza Ziemi. Badania za pomocą dyfrakcji promieni rentgena, fluorescencji rentgenowskiej oraz spektroskopii w podczerwieni pozwoliły badaczom z Uniwersytetu w Nevadzie określić skład zanieczyszczeń – choć geolodzy mówią raczej o inkluzjach.

Oliwiny i perowskity, czyli tajemnice procesów w płaszczu Ziemi

Badania wykazały, że jest to rodzaj długo poszukiwanego krzemianu wapnia o strukturze perowskitu. Istnienie krzemianów o strukturze perowskitów po raz pierwszy zasugerowano w latach 60. XX wieku. W połowie lat 70. udało się je wytworzyć sztucznie w laboratoriach.

Nazwa w liczbie pojedynczej – „perowskit” – dotyczy tytanianu wapnia, czyli pierwszego minerału, w którym odkryto taką strukturę. Perowskitami (w liczbie mnogiej) zaś nazywa się inne minerały o takiej samej strukturze krystalicznej. Część z nich stanowi obiecujące materiały fotowoltaiczne.

Pod koniec tej dekady zasugerowano, że nieciągłość sejsmiczna w ziemskim płaszczu, którą obserwuje się na głębokości około 600 kilometrów, wynika z tego, że na tej głębokości minerały o strukturze oliwinu przechodzą w perowskity. Mają ten sam chemiczny skład, lecz różną się sposobem, w jaki atomy są uporządkowane. Oliwiny krystalizują w układzie rombowym, perowskity zaś w sześciennym (zwanym przez geologów regularnym). Naukowcy od dawna oceniają, że większość dolnego płaszcza Ziemi musi składać się z krzemianów wapnia, magnezu i żelaza o strukturze perowskitu.

Niestety, do niedawna nie mieli na to dowodów. Takie minerały są stabilne tylko w ekstremalnych ciśnieniach obecnych we wnętrzu Ziemi. Gdy znajdą się w jej skorupie, gdzie jest niższe ciśnienie – przestają być perowskitami i zamieniają się w oliwiny.

Australijski meteoryt i diamentowa kapsuła czasu

Takie krzemiany o sześciennej, perowskitowej strukturze pozostawały bytem laboratoryjnym, póki nie wykryto ich w australijskim meteorycie z Tenham w 2014 roku. Powstały tam w wyniku siły uderzeniowej, która wytworzyła ekstremalne ciśnienie. Odkryty w meteorycie krzemian magnezu i żelaza o takiej strukturze nazwano bridgemanitem – od nazwiska Percy’ego Brigdemana, który w 1946 roku otrzymał Nagrodę Nobla za wynalezienie aparatury do wytwarzania skrajnie wysokich ciśnień oraz za odkrycia dokonane dzięki niej.

W „Science” badacze opisują, jak odkryli długo poszukiwane ślady krzemianu wapnia o tej samej strukturze pochodzące z wnętrza Ziemi. Jeśli podczas powstawania diamentu do jego wnętrza dostanie się jakaś domieszka, może przetrwać w niezmienionym stanie podróż na powierzchnię Ziemi. W tym wypadku był to krzemian wapnia o sześciennej strukturze perowskitu. Naukowcy nazwali go „davemaoitem”, by uhonorować geofizyka Dave’a Ho-kwanga Mao.

Mineralna matrioszka, czyli co jeszcze ukrywało się w davemaoicie ukrytym w diamencie

Badaczom udało się też odnaleźć w jego wnętrzu domieszki izotopów uranu, toru i potasu. Te radioaktywne pierwiastki odpowiadają za około jedną trzecią ciepła, które panuje w głębi Ziemi (pozostałe dwie trzecie utrzymuje się od czasu powstania naszej planety około 4,5 mld lat temu). Jeśli zaczyna to przypominać rosyjską lalkę-matrioszkę, to słusznie. W diamencie ukrył się davemaoit, zaś w nim – domieszki radioaktywnych pierwiastków.

W diamencie znaleziono też ślady innego minerału, wustytu, oraz lodu, który w wysokich ciśnieniach jest stabilny mimo wysokich temperatur. Dzięki temu udało się też określić, że davemaoit musiał powstać pod wpływem ciśnienia wynoszącego od 24 do 35 miliardów paskali (czyli giagapaskali).

Odkrycie nowego minerału pozwala geologom badającym wnętrze Ziemi powiązać trzy różne procesy, które zachodzą we wnętrzu naszej planety. To uwalnianie ciepła przez rozpad radioaktywnych pierwiastków (o czym świadczą zanieczyszczenia davemaoitu), cykl obiegu wody w jej wnętrzu (dzięki odkryciu śladów lodu) oraz węgla (dzięki powstaniu samego diamentu).

Zaskoczeniem dla badaczy była wysoka zawartość potasu w davemaoicie. W większości eksperymentów mających na celu odtworzenie warunków panujących w ziemskim płaszczu uzyskuje się niemal całkowicie czysty krzemian wapnia. Trudno orzec, skąd pochodzi potas. Być może wnętrze Ziemi jest nieco bardziej „zaśmiecone” niż przypuszczali naukowcy.

Źródła: Science [1] i [2].