Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен
Алмазы хранят тайны истории Земли
Металлические включения, наблюдаемые только в малой доле алмазов, по-видимому, являются исключением — редкостью под стать малочисленности крупных алмазов типа II, в которых они встречаются. Намного более распространенными и доставляющими головную боль ювелирам, которые ищут сколь возможно идеально ограненные и отполированные драгоценные камни, являются включения обычных мантийных минералов в алмазах типа I. Пока люди ценили совершенные драгоценности, минеральные включения были источником разочарования. Ученые придерживаются противоположной точки зрения, так как минеральные включения сами являются кладезем данных о глубоких недрах Земли.
Некоторые из этих включений раскрывают возраст алмазов: несколько древних камней оказались старше 3 млрд лет. Ключами к определению даты рождения алмаза стали иногда встречающиеся микроскопические частицы сульфидных минералов — сияющие кристаллы толщиной меньше волоса, состоящие из комбинации атомов металлов и серы. Эти сульфидные включения всегда содержат мизерное количество редкого элемента рения, который оказывается необыкновенно полезным, если вы хотите узнать возраст минерала.
Природные атомы рения имеют две разновидности. Стабильный изотоп рений-185 составляет около 37% от общего объема рения Земли; остальные 63% приходятся на радиоактивный рений-187 — нестабильный изотоп, который может самопроизвольно преобразовываться в стабильный осмий-187 со скоростью распада половины атомов рения за 41,6 млрд лет. Со временем отношение радиоактивного рения-187 к осмию-187 уменьшается так же прогнозируемо, как тиканье часов. Требуется тщательная подготовка образца и ультрасложные аналитические приборы, но поднаторевшему и терпеливому ученому удастся выяснить возраст алмаза измерением соотношения изотопов рения и осмия в микроскопическом сульфидном включении.
Такое сложнейшее датирование получает огромное преимущество, когда сочетается с исследованиями других включенных минеральных зерен — обычно самых распространенных оксидов и силикатов, которые составляют бо́льшую часть мантии Земли. Эти характерные ассоциации минералов иногда проливают свет на экстремальные глубины образования алмаза. В ряде случаев необычайно плотные включения оксидов и силикатов указывают на свое происхождение на глубине более 900 км, в загадочном и недоступном царстве нижней мантии Земли. Как алмазы могут прокладывать путь к поверхности из таких больших глубин, как они переживают такое путешествие, находя безопасный проход сквозь сотни километров, казалось бы, твердой породы, — не рассыпаясь, не застревая, не превращаясь в другой минерал, — остается во многом нерешенной загадкой.
Какими бы тернистыми путями эти алмазы ни появлялись из глубины, они могут много рассказать о миллиардах лет изменений в глобальном масштабе{63}. Поразительные доказательства, тщательно собранные в передовом исследовании 2011 г. экспертами по алмазам Стивеном Шири из Института Карнеги и Стивеном Ричардсоном из Кейптаунского университета в Южной Африке, указывают на глубокое преобразование, которое произошло примерно 3 млрд лет назад.
Систематические исследования минеральных включений в алмазах по всему миру — драгоценных камнях из самых продуктивных рудников Бразилии и России, Южной Африки и Канады — показывают, что более молодые минералы зачастую содержат характерные сочетания серо-зеленого пироксена и красного граната. Этот цветной минералогический дуэт указывает на то, что алмазы происходят из породы, называемой эклогитом. У эклогита очень интересная биография. Эта красивая красно-зеленая порода возникает вследствие преобразования под высоким давлением базальта — повсеместно распространенной темной горной породы, которая кристаллизируется из магмы, изливающейся вдоль всей зоны срединно-океанических хребтов, имеющих протяженность в тысячи километров и опоясывающих весь земной шар. В результате этого базальт покрывает бо́льшую часть океанического дна — почти 70% поверхности Земли. Такое постоянное производство новой базальтовой коры требует, чтобы соответствующее количество старой базальтовой коры исчезало в процессе необратимого погружения в зонах субдукции. Вдали от срединно-океанических хребтов более древние, холодные и плотные пласты базальтовой коры изгибаются вниз и уходят глубоко в недра Земли. Субдукция таким образом завершает важнейший процесс «кругооборота» земной поверхности, вызываемого движением литосферных плит.
Когда базальт опускается, он нагревается и испытывает огромное давление. На глубине не менее 50 км минералы базальта преобразуются в более плотные свои разновидности, в частности в красный гранат и серо-зеленый пироксен, обнаруженные в некоторых алмазах. Это характерное сочетание эклогитовых включений навело ученых на мысль, что движение плит, которое мы наблюдаем сегодня — с его активными срединно-океаническими хребтами и подвижными зонами субдукции, — шло полным ходом на протяжении последних 3 млрд лет.
Другие алмазы, включая и те, возраст которых превышает 3 млрд лет, содержат очень разные наборы мантийных минералов. Можно найти много включений желтого или коричневого оливина (его ювелирная разновидность известна как хризолит[24]), а также пурпурного граната, черного хромита и изумрудно-зеленого пироксена. Такое характерное сочетание минеральных включений указывает на гораздо более глубокий мантийный источник, который связан с горной породой, называемой перидотитом и, как считается, доминирующей в мантии Земли. Это плотное собрание минеральных фрагментов никогда не видело земной поверхности и не подвергалось субдукции. Отсюда важный вывод: на ранних этапах эволюции Земли движения плит не было (по крайней мере, в современном его варианте — со столкновениями и расколом континентов и погружением базальтовой коры).
Урок ясен. Алмазы и их включения — действительно научные сокровища, убедительно доказывающие, что одна из величайших инноваций нашей планеты — движение литосферных плит — появилась, когда Земле было около 1,5 млрд лет. И по иронии судьбы, не ускользнувшей от исследователей алмазов, некоторые из тех драгоценных камней, которые некогда отвергли покупатели из-за присутствия в них некрасивых включений, сейчас продаются коллекционерам минералов по бешеным ценам. Опубликованные научные открытия вдохновили общественность и создали спрос на содержащие включения образцы, которые оказались не по карману некоторым исследователям.
Углерод в ядре
Понять по отдельным фрагментам минералогию углерода в мантии и так достаточно тяжело, но это цветочки по сравнению с получением проб с глубин более 2900 км, где проходит граница между мантией и ядром. Давление там поднимается выше 1 млн атм, а температура превышает 3000 °C. Сколько в ядре углерода и какова его природа там — единственная остающаяся нерешенной величайшая загадка при оценке общего содержания углерода на Земле.
Минералогия расплавленного внешнего ядра проста. Там нет кристаллов, так что нет и минералов углерода. Тем не менее нам все равно нужно узнать, сколько углерода могло раствориться в этой зоне железо-никелевого расплава. По крайней мере две линии доказательств указывают на то, что его может быть много — возможно, гораздо больше, чем во всех остальных оболочках планеты, вместе взятых.
Первые ключи к разгадке тайны глубинного углерода появились в новаторском исследовании спокойного и скромного гарвардского геофизика Фрэнсиса Бёрча
