Российские и зарубежные геологи выяснили, что соединения железа и углекислоты играют определяющую роль в формировании алмазов в глубинных слоях недр Земли, помогая их «зародышам» выживать при сверхвысоких давлениях и температурах, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
Фактически все природные алмазы находят внутри так называемых кимберлитовых трубок – в вертикальных каналах в толще земной коры, возникших в результате подъема магмы к поверхности планеты. Сами алмазы, в свою очередь, возникают не внутри этих трубок, а в мантии Земли, на глубине в несколько сотен километров.
Происхождение кимберлитов вызывает дискуссии среди ученых, так как высокая вязкость «прародителя» алмазов не должна была позволить ему подняться из глубинных слоев мантии. Вдобавок, многие алмазы, найденные в Бразилии и в других регионах залегания подобных трубок, сформировались на глубине как минимум в 600 километров, что заставляет ученых гадать, как их «заготовкам» удалось выжить при путешествии в сторону ядра Земли.
Леонид Дубровинский из университета Байерта (Германия), а также ряд ученых из «Сколтеха», НИТУ «МИСиС» и зарубежных вузов нашли потенциальное объяснение этой геологической загадке, наблюдая за тем, что происходит с различными потенциальными «зародышами» алмазов при температуре в 2200 градусов Цельсия и давлениях, превышающих атмосферное почти в миллион раз.
Как объясняют ученые, главным кандидатом на роль прародителя алмазов сегодня считаются различные осадочные породы, содержащие в себе карбонаты – соединения угольной кислоты и ионов различных металлов. Ученые уже достаточно давно проводят опыты с карбонатами, сжимая обычный мел, карбонат магния и другие версии этих солей, и постоянно приходят к выводу, что все эти вещества не «доживут» до конца путешествия к ядру Земли и распадутся раньше, чем они смогут превратиться в алмазы.
Дубровинский и его коллеги проверили, что произойдет с еще одной формой карбонатов, которая раньше не принимала участия в подобных опытах – с кристаллами сидерита, карбоната железа, возникающими в большом количестве у гидротермальных источников и в отложениях осадочных пород.(Сидерит («железный шпат», от др.-греч. σίδηρος — железо) — минерал состава FeCO3, карбонат железа.)
Сжав эти кристаллы при помощи алмазной наковальни, ученые просветили их при помощи ускорителя частиц и изучили то, как менялась их структура при повышении давлении и температур.
Эти опыты показали, что карбонат железа не распался при достижении сверхвысоких давлений и температур, а поменял структуру. Атомы железа в нем окислились и потеряли еще один электрон, а остаток молекулы угольной кислоты присоединили еще один атом кислорода и превратились в остаток так называемой «кислоты Гитлера», или ортоугольной кислоты.
Кислота Гитлера
В результате углерод при этом восстанавливается, а железо окисляется, железо становится четырёхвалентным, и степень его окисления становится тоже четыре, и оно приобретает тетраэдрическую модификацию, что не является характерным для железа в обычных условиях. Углерод меняет свою степень окисления с четырех до двух, оставаясь четырехвалентным. Вот такая реакция диспропорционирования:
Fe
+2 C
+4O
3 = Fe
+4 C
+2O
3В результате этой реакции неорганическая соль -карбонат железа переходит в некое металлоорганическое соединение - внутреннюю соль 1-железо(IV)-орто-муравьиной кислоты:
Fe
3+-[-CO
3]
3-В результате этого возникла структура, крайне устойчивая при сверхвысоких давлениях и обладающая формой, похожей на то, как устроены алмазы на атомном уровне. Она, как показывают расчеты ученых, позволяет карбонатам достичь глубины примерно в 2,5 тысячи километров и не распасться. Это объясняет, как «зародышам» алмазов удается выжить при путешествии к центру планеты и показывает, что экзотическая ортоугольная кислота существует не только в ядрах планет-гигантов, но и в мантии Земли, заключают ученые.
