Diamanten in der Erdkruste werden leichter synthetisiert als bisher angenommen • Elena Naimark • Wissenschaftsnachrichten zu den "Elementen" • Mineralogie, Geologie, Geochemie

Diamanten in der Kruste sind leichter zu synthetisieren als bisher angenommen.

Kimberlitpfeife "Peace", 1955 in Jakutien eröffnet. Dies ist einer der größten Tagebaue: Er hat einen Durchmesser von 1,2 km und eine Tiefe von 525 M. Der Abbau wurde hier bis 2001 durchgeführt. Foto von adme.ru

Amerikanische Geochemiker haben ein neues chemisches Modell für die Bildung von Diamanten vorgeschlagen. Im Gegensatz zu ersterem erfordert es keine Kombination einzigartiger Bedingungen für ihre Bildung. Im Gegensatz dazu sind Diamanten nach diesem Modell Teil der üblichen, universell auftretenden chemischen Reaktionen unter Bedingungen magmatischer Tieflagen. Der Verlauf dieser Reaktionen wird durch die Eigenschaften von Wasser unter Bedingungen hoher Drücke und Temperaturen bestimmt. Unter diesen Bedingungen wird Wasser zu einem starken Lösungsmittel und Magma-Materialien beginnen sich darin zu lösen, wodurch die Lösung saurer wird, weshalb die Auflösung noch schneller geht. Infolgedessen werden kohlenstoffhaltige Gesteine ​​zu einer Kohlenstoffquelle für die Bildung von Diamanten.

Der Diamantabbau findet hauptsächlich in der Entwicklung von Kimberlit-Rohren statt. Ein Kimberlit-Rohr oder ein Explosionsrohr ist ein trichterförmiger geologischer Körper, der durch Einbrechen in die oberen Schichten magmatischer Schmelze und Gase, einer Art Überreste uralter Vulkane, gebildet wird.Die Röhre ist mit Kimberlit gefüllt, das Fragmente verschiedener Gesteine, insbesondere von Eklogiten, enthält. Zusammen mit Eklogit in den Röhren werden auch Diamanten an die Oberfläche gebracht. Es scheint, dass die Diamanten selbst in den darunter liegenden Schichten von magmatischen Kimberlit-Schmelzen gebildet und dann bei vulkanischen Explosionen an die Oberfläche transportiert werden. Nach anderen Hypothesen kristallisieren Diamanten jedoch allmählich in relativ flacheren Tiefen und bei niedrigeren Drücken in den Zwischenhülsen des Kimberlit-Rohrs selbst.

Aus chemischer Sicht sind Diamanten, wie wir aus dem Lehrplan der Schule wissen, reiner Kohlenstoff, dessen Atome in einem tetraedrischen Kristallgitter organisiert sind. Woher kommt Kohlenstoff in Mantelgesteinen? Es wird vermutet, dass es durch Oxidation von Methan, dessen Quelle die Mantelsubstanz ist, erhalten wird. Dies bedeutet, dass Methan erst durch Gesteine ​​mit oxidierenden Eigenschaften passieren muss, Lösungen bilden, die mit oxidierten Kohlenstoffoptionen gesättigt sind und dann in Gesteinen enden, die eine weitere Oxidation (oder umgekehrt Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoff) verhindern, dh die Umwandlung von Diamanten in gewöhnliches Kohlendioxid. GasDie Notwendigkeit für solch einen scharfen Wechsel der Bedingungen in magmatischen Flüssigkeiten (Lösungen, Schmelzen oder Mischungen davon) hat immer einige Zweifel unter den Wissenschaftlern verursacht.

Dimitri Sverjensky, ein Geochemiker von der Johns Hopkins Universität (Baltimore, USA), und sein Doktorand Juan Fan (Fang Huang) boten einen ausgezeichneten Ausweg aus dieser chemischen Sackgasse. Um dies zu tun, mussten sie die üblichen Muster der Diamantbildung kritisch überdenken. Wenn dieses Problem diskutiert wird, werden Wasserlösungen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff als Ausgangspunkt genommen – sie werden mental unter Hochdruckbedingungen (mehr als 3 GPa) und Temperaturen (etwa 1000 ° C) gesetzt, bei denen sich Diamanten bilden. Was ist mit den umliegenden Rassen? Tatsächlich verschwinden sie nirgends, also warum nicht? Die Autoren der Arbeit glauben, dass die anfängliche Vereinfachung der chemischen Prozesse so vertraut geworden ist, dass die Realität von Experten einfach nicht mehr wahrgenommen wird. Betrachtet man jedoch die Anwesenheit verschiedener Fluide enthaltender Silicat- und Carbonatmaterialien, wird die Chemie dieser Prozesse viel interessanter.

Bei solch hohen Drücken und Temperaturen löst Wasser leicht carbonathaltige Mineralien.Zur gleichen Zeit gehen Protonen in die Lösung über, und ihr pH-Wert sinkt (dh die Lösung wird saurer). Unter sauren Bedingungen läuft die Auflösung noch schneller ab. Als Ergebnis eines zweistufigen chemischen Prozesses zersetzen sich Karbonatmaterialien und setzen Kohlenstoff frei, der unter diesen Bedingungen als Carbonate und Bicarbonate, Kohlendioxid und eine Anzahl organischer Moleküle existiert. Diamanten, wie durch Berechnungen von Gleichgewichtschemikalienprozessen gezeigt, werden von einfachen organischen Molekülen, Resten von Essig- und Ameisensäuren – den Produkten dieser Reaktionen gewonnen (Chemiker werden interessiert sein, die Reaktionsformeln zu betrachten, sie werden in dem diskutierten Artikel gegeben, der in der public domain veröffentlicht wird).

Die berechnete Menge an wäßrigen Lösungen von kohlenstoffhaltigen Verbindungen bei den Umsetzungen von Wasser und Eklogit bei einem Druck von 5 GPa und einer Temperatur von 900 ° C. Abszisse Achse Der Logarithmus der Reaktionsgeschwindigkeit, berechnet durch die relative Menge des gelösten Minerals, ist aufgetragen. Y-Achse Die relative Molenzahl der Substanzen pro 1 kg Wasser wird verschoben. Die Diamant-Akkumulationskurve (rot) spiegelt fast die Menge an Ameisensäure (schwarze Linie) in Lösung, weil Kohlenstoff für Diamanten fast vollständig aus ihm gewonnen wird (wie man sieht, ist der Gehalt an Propionsäure-Ionen gezeigt blaue Linie, im Verlauf des Experiments hat sich wenig geändert). Zeitplan von Artikel in der Diskussion Naturkommunikationen

Es zeigt sich, dass keine Änderung der Redoxbedingungen erforderlich ist: Bei diesen Reaktionen bleibt die Sauerstoffmenge (bzw. deren Partialdruck) mehr oder weniger konstant. Und so ging die Reaktion, Sie müssen nur die Säure des Mediums senken. Dies geschieht von selbst, wenn Wasser unter bestimmten Bedingungen mit magmatischen Gesteinen in Wechselwirkung tritt.

Dies waren jedoch alle Modellrechnungen, die auf der Kenntnis des Verhaltens von Reagenzien unter bestimmten Bedingungen beruhten. Es ist wichtig, dass die Wissenschaftler Experimente durchführen konnten, in denen sie überprüften, wie sich Eklogit unter Bedingungen der Bildung von Diamanten auflöst (in diesem Fall 5 GPa und 900 ° C, was Tiefen von etwa 150-200 km entspricht) und gleichzeitig die Parameter für Gesteinsauflösungsmodelle für unterschiedliche Temperaturen und Drücke. Das Experiment wurde in speziellen Wärmekammern durchgeführt, was die Möglichkeit der quantitativen Messung von gelösten Elementen vorsah. Dann wurde das erhaltene Elementarspektrum mit Einschlüssen in Diamanten verglichen, die die Zusammensetzung der Fluide während ihrer Bildung widerspiegeln.Die Spektren erwiesen sich als allgemein ähnlich, und die Unterschiede, auf die die Autoren hingewiesen haben, spiegeln wieder unser vereinfachtes und durchschnittliches Verständnis der Eigenschaften gelöster Stoffe unter Bedingungen der Fluidbildung wider.

Was gibt uns diese Arbeit? Tatsächlich fügt es weder Diamanten hinzu, noch vereinfacht es die Suche nach neuen Ablagerungen und Kimberlit-Rohren. Aber wenn das Modell korrekt ist, dann ist klar, dass die Synthese von Diamanten überall hin gehen muss, da dies keine einzigartigen Änderungen der Redoxbedingungen auf dem Weg der flüssigen Lösungen erfordert. Das ist an sich interessant. Das neue Modell geochemischer Prozesse in den tiefen Schichten der Kruste und der oberen Schichten des Mantels lässt uns überdies die Wege des globalen Kohlenstoffkreislaufs neu überdenken. Denn Kohlenstoff, der in den Mantelschichten der Subduktionszonen von Karbonatgesteinen stammt, ist nicht für immer dort vergraben, sondern beginnt unter bestimmten Bedingungen wieder in die Lösung einzutreten und kehrt in den globalen Kreislauf zurück.

Wissenschaftler, die an solchen planetarischen Berechnungen beteiligt sind und das Swerzhensky-Modell übernehmen, sollten alles neu erzählen. Dies beinhaltet eine Überprüfung verschiedener globaler Berechnungen, einschließlich des Klimas, da viele von ihnen mit dem Kohlenstoffkreislauf verbunden sind.Bald werden wir solche aktualisierten Berechnungen sehen. Eine weitere Konsequenz des neuen Modells ist die Möglichkeit der Ölbildung in den tiefen Schichten der Erdkruste. Wenn verschiedene Arten von organischen Molekülen gebildet werden, können Kohlenwasserstoffe, die Öl bilden, darunter auch Nahrung für die Bewohner von tiefen Biosphären sein (siehe Artikel T. Gold, 1992. Die tiefe, heiße Biosphäre und F. Inagaki et al., 2015. Erforschung des tiefen mikrobiellen Lebens in kohleführenden Sedimenten bis zu ~ 2,5 km unter dem Meeresboden. Die Autoren werden dazu eine gesonderte Publikation mit einer Reihe von experimentellen Daten veröffentlichen.

Quelle:
1) Dimitri A. Sverjensky, Huang Fang. Diamantbildung aufgrund eines pH-Abfalls während Fluid-Rock-Wechselwirkungen // Naturkommunikationen. 2015. DOI: 10.1038 / ncomms9702.
2) Eric Hand. Wie begrabenes Wasser Diamanten und Öl macht // Wissenschaft. 2015. V. 350. P. 613-614.

Elena Naimark


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