Алмазы всплывают из мантии, как пробки из бутылки: углекислый газ раскрывает тайну их выживания

Углекислый газ помог алмазам подняться на поверхность — Geology

Алмазы редко дают возможность заглянуть в глубины планеты, но новое исследование в журнале Geology раскрывает тайну их выживания. Учёные показали, что особые сочетания летучих веществ в кимберлитовой магме позволяют этим драгоценным кристаллам подниматься на поверхность практически невредимыми. Главным "двигателем" подъёма оказался углекислый газ, от концентрации которого зависит судьба будущих алмазов. Об этом сообщает Geology.

Подъём магмы и роль углекислого газа

Исследователи смоделировали процесс движения кимберлитовой магмы из глубин мантии, сосредоточив внимание на знаменитой трубе Иерихон — геологическом объекте на севере Канады.

Этот древний канал сохранил следы магматической активности, позволив ученым реконструировать путь расплава от глубины более 150 километров до поверхности. Именно там, в толще кратона Слейв, зарождаются алмазы.

"Самый важный вывод, который можно сделать из этого исследования, заключается в том, что нам удалось определить количество CO₂, необходимое для успешного подъёма через кратон Слейв в кимберлите Джерико", — сказала руководитель работы Ана Анзулович, докторант Центра планетарной обитаемости Университета Осло.

Главная сложность заключается в том, что при подъёме давление и температура резко падают, из-за чего расплав может потерять плавучесть. Учёные выяснили: именно растворённый углекислый газ обеспечивает магме возможность "всплывать" сквозь плотные породы.

Если CO₂ достаточно, он действует как газовый толчок, создавая подъёмную силу, а при его недостатке расплав застывает, не достигнув верхних горизонтов земной коры.

Почему CO₂ — решающий элемент

Команда исследователей установила критическую концентрацию углекислого газа — 8,2 %. При этом уровне кимберлитовая магма способна пересечь линию Мохоровичича, границу между мантией и корой. Это значение стало ключом к разгадке, почему одни трубы активны, а другие застыли миллионы лет назад.

"Наш состав с высоким содержанием летучих веществ может вынести на поверхность до 44 % мантийного перидотита, что действительно впечатляет для расплава с такой низкой вязкостью", — отметила команда исследователей.

Без достаточного количества CO₂ алмазы просто не дожили бы до поверхности: при медленном подъёме они переходят в более устойчивую форму — графит. Только быстрый и "газонасыщенный" процесс сохраняет кристаллическую структуру. Именно поэтому кимберлитовые извержения, как правило, происходят резко и сопровождаются выбросами крупных обломков мантии.

Как углерод спасает структуру минералов

На глубине углерод играет двойную роль. Он стабилизирует внутреннюю структуру магмы, делая её менее восприимчивой к разрушению, а ближе к поверхности начинает выделяться в виде пузырьков.

Этот процесс создает дополнительный подъёмный эффект, увеличивая скорость движения расплава. Без него магма стала бы плотнее окружающих пород и потеряла бы способность преодолевать геологические барьеры.

Учёные также установили, что вода и углекислый газ ведут себя по-разному. Вода снижает вязкость, помогая расплаву течь, тогда как CO₂ обеспечивает стабильность и "взрывной" импульс при снижении давления. Баланс этих веществ определяет успех или неудачу каждого кимберлитового извержения.

Труба Иерихон: окно в историю мантии

Труба Иерихон расположена в северной части кратона Слейв — одном из древнейших континентальных блоков планеты. Её породы содержат ценную информацию о химическом составе глубинных слоёв мантии. При движении вверх расплав захватывает включения — ксенолиты и ксенокристаллы.

Эти частицы становятся своеобразными "капсулами времени", позволяющими учёным изучать древние процессы, происходившие миллиарды лет назад.

"Мы стремились создать химическую модель кимберлита и изменить баланс воды и CO₂, чтобы увидеть, как будет вести себя расплав при движении вверх", — пояснили авторы исследования.

Современные методы моделирования, включая поатомные симуляции, позволили вычислить изменения плотности и вязкости на разных этапах движения. Благодаря этому исследователи смогли объяснить, почему некоторые трубы содержат больше мантийного материала, чем другие, и как именно углекислый газ влияет на распределение фрагментов пород.

Геологическое значение открытия

Результаты работы имеют практическую ценность. Они помогают геологам определять, какие кимберлитовые структуры потенциально содержат алмазы, а какие остановились из-за нехватки летучих компонентов. Это позволяет точнее планировать бурение и сократить количество неудачных экспедиций.

Понимание механизма подъёма магмы также важно для изучения процессов, формирующих Землю. Исследователи отмечают, что аналогичные закономерности могут действовать при вулканизме других планет, например, Луны или Марса.

Схожие вопросы рассматриваются и в работах, посвящённых происхождению Луны и столкновению Земли с протопланетой Тейей.

Сравнение: как вода и CO₂ влияют на движение магмы

Вода снижает вязкость и ускоряет движение расплава, облегчая прохождение через плотные слои.
Углекислый газ сохраняет структуру магмы и создаёт газовый импульс при подъёме.
Комбинация летучих веществ обеспечивает оптимальный баланс между текучестью и плавучестью.
Критический порог содержания CO₂ (8,2 %) определяет, достигнет ли магма поверхности или застынет под землёй.

Эти результаты объясняют, почему кимберлитовые трубы различаются по составу и количеству мантийных фрагментов. Они также подтверждают идею, что глубинные процессы зависят от тонких химических балансов, а не только от механических факторов.

Плюсы и минусы влияния CO₂ в геологических процессах

Понимание роли углекислого газа в мантии помогает не только в алмазной геологии, но и в моделировании вулканизма, углеродного цикла и тектоники плит.

Плюсы:

Ускоряет процесс подъёма кимберлитовой магмы.
Сохраняет алмазы в первозданном виде.
Участвует в перераспределении углерода между слоями Земли.
Помогает объяснить происхождение магматических пород.

Минусы:

Избыточное выделение CO₂ может провоцировать мощные извержения.
Неправильный химический баланс делает магму нестабильной.
Высокое давление газа повышает риск разрушения пород и выброса токсичных соединений.

Советы для геологов и исследователей

Изучайте летучие вещества в пробах кимберлита. Их содержание часто указывает на глубину происхождения магмы.
Используйте поатомное моделирование. Этот метод помогает оценить плотность расплава и предсказать вероятность извержения.
Сопоставляйте химический состав с географией труб. Различия в составе воды и CO₂ объясняют различную активность месторождений.
Учитывайте аналогии с другими планетами. Понимание вулканических процессов Земли помогает в интерпретации данных с миссий NASA и ESA.
Обращайте внимание на древние кратоны. Их стабильная структура делает их "окном" в историю мантии и эволюции континентов.