Ekstrēmas ķīmiskās reakcijas varētu izskaidrot, kāpēc Zemes vidējā slānī ir tik daudz oglekļa. Miljoniem gadu ilgais karstums un spiediens, iespējams, ir veidojis dimantu “ražošanu” (veidošanos) zonā, kur Zemes kodols saskaras ar mantiju. Robežjosla starp kodolu un mantiju, Zemes klinšaino vidējo slāni, varētu būt šī dimantu “ražotne” vai tapšanas vieta.
Jaunā laboratoriskā eksperimentā Arizonas universitātē, ASV, atklāts, ka ekstremālās temperatūrās un spiedienā dzelzs, oglekļa un ūdens kombinācija – visas iespējamās sastāvdaļas, kas atrodamas kodola un mantijas robežas zonā,– noteiktos apstākļos var veidot dimantus. Ja šāds process notiek arī Zemes dzīlēs, tas varētu izskaidrot dažas neparastas mantijas īpatnības, tostarp to, kāpēc tajā ir vairāk oglekļa, nekā zinātnieki prognozēja iepriekš.
Atklājumi varētu palīdzēt izskaidrot savādas struktūras dziļāk kodola un mantijas robežās, kur zemestrīču viļņi krasi palēninās. Šīs zonas dēvē par “īpaši zema ātruma zonām”, tie ir saistīti ar savdabīgām mantijas struktūrām, tostarp diviem milzu plankumiem zem Āfrikas un Klusā okeāna; to diametrs var būt vien dažas jūdzes vai daudzi simti jūdžu. Neviens precīzi nezina, kas tieši šīs struktūras ir. Daži zinātnieki uzskata, ka tās radušās pirms 4,5 miljardiem gadu un ir veidotas no ļoti seniem Zemes izcelsmes materiāliem. Jaunie pētījumi liecina, ka dažas no šīm zonām varētu būt radušās plākšņu tektonikas rezultātā, kas, visticamāk, sākās krietni pēc Zemes veidošanās, iespējams, pirms ~3 miljardiem gadu.
Zemes dzīļu modelēšana
Vietā, kur Zemes kodols saskaras ar mantiju, šķidra dzelzs saskaras ar cietiem iežiem. Tā ir tikpat radikāla pāreja kā iežu un gaisa saskarsme Zemes virspusē, zinātnieki skaidroja izdevumam Live Science. Šādā pārejā, īpaši pie augsta spiediena un temperatūras, var notikt neparasta ķīmiskā reakcija.
Turklāt pētījumi, kuros izmanto zemestrīču viļņu atstarojumus, lai attēlotu mantiju, ir parādījuši, ka materiāli no Zemes garozas var nonākt līdz kodola un mantijas robežai aptuveni 3000 kilometru dziļumā zem Zemes virsmas. Apakšzemes zonās tektoniskās plātnes spiež vienu zem otras, iedzenot okeāna garozu zemes dzīlēs. Okeāna garozas iežu minerālos ir piesaistīts ūdens. Zinātnieki lēš, iespējams, ka ūdens pastāv kodola un zemes dzīļu robežās un var veicināt ķīmiskās reakcijas turpat dziļumā. (Viena no teorijām par pāris mantijas plankumiem zem Āfrikas un Klusā okeāna ir – tos veido deformēta okeāna garoza, kas ir iestumta dziļi mantijā, iespējams, līdzi ņemot ūdeni.)
Dimanti veidojas augstas temperatūras un augsta spiediena apstākļos, kādi ir uz Zemes kodola un mantijas robežas.
Lai pārbaudītu šo ideju, pētnieki apkopoja tās sastāvdaļas, kas pieejamas kodola un mantijas robežjoslā, un tās saspieda ar no dimanta izgatavotām skaldnēm, radot spiedienu līdz 140 gigapaskāliem. (Tas ir aptuveni 1,4 miljonus reižu vairāk nekā spiediens jūras līmenī.) Pētnieki sakarsēja paraugus līdz 6 830 grādiem pēc Fārenheita (3 776 °C).
“Mēs novērojām, kāda reakcija notiek, kad paraugu uzkarsējam,” skaidroja pēttnieki. “Tad mēs konstatējām dimantu un atklājām negaidītu elementu apmaiņu starp iezi un šķidro metālu.”
Dimantu veidošanās
Spiediena un temperatūras apstākļos, kas valda kodola un mantijas robežas apstākļos, ūdens uzvedas pavisam citādi nekā uz Zemes virsmas. Ūdeņraža molekulas atdalās no skābekļa molekulām. Augstā spiediena dēļ ūdeņradis gravitē uz dzelzi, kas ir metāls, kurš veido lielāko kodola daļu. Tādējādi ūdens sastāvā esošais skābeklis paliek mantijā, bet ūdeņradis saplūst ar kodolu.
Kad tas notiek, ūdeņradis, šķiet, izspiež citus vieglos elementus kodolā, tostarp, kas ir ļoti svarīgi, oglekli. Šis ogleklis tiek izstumts no kodola un nonāk mantijā. Augstā spiedienā, kas ir kodola un mantijas robežās, oglekļa stabilākā forma ir dimants. “Tā veidojas dimants,” norāda zinātnieki.
Tie nav tie paši dimanti, kas varētu mirdzēt kādā rotaslietā; vairums to dimantu, kas nonāk Zemes virspusē un galu galā kļūst par kādu rotaslietu, veidojas dažu simtu kilometru, nevis dažu tūkstošu kilometru dziļumā. Zemes kodola dimanti, visticamāk, ir plūstoši, un tie varētu tikt izskaloti pa garozu, šādi izplatot oglekli.
Mantijā ir trīs līdz piecas reizes vairāk oglekļa, nekā pētnieki varētu sagaidīt, pamatojoties uz elementu proporciju zvaigznēs un citās planētās. Šajā Zemes slānī atrastie dimanti varētu izskaidrot šo neatbilstību. Zinātnieki aprēķinājuši, ka, ja pat 10-20% okeāna garozā esošā ūdens nokļūst līdz kodola un mantijas robežai, tas varētu izdalīt pietiekami daudz dimantu, lai izskaidrotu oglekļa daudzumu garozā. Ja tas tā ir, tad daudzas zema ātruma zonas mantijā varētu būt ūdens izraisītas kušanas zonas, ko izraisījusi okeāna plātņu kustība planētas dzīlēs. Nākamais uzdevums ir pierādīt, ka šis process notiek tūkstošiem kilometru zem virsmas.
Ir vairāki veidi, kā meklēt pierādījumus
Viens no tiem ir meklēt struktūras kodola un mantijas robežās, kuras varētu būt dimantu kopas. Dimanti ir blīvi un ātri pārnes zemestrīču viļņus, tāpēc pētniekiem būtu jāatrod liela ātruma zonas līdzās jau atklātajiem reģioniem, kur viļņi pārvietojas lēni. Citi Arizonas štata universitātes pētnieki pēta šo iespēju, bet viņu darbs vēl nav publicēts.
Vēl viena iespēja ir pētīt dimantus, kurus varētu iegūt dziļi Zemes mantijā. Šādi dimanti dažkārt var nokļūt virspusē ar sīkiem ieslēgumiem, kas ir pilni ar minerāliem, kuri var veidoties tikai ļoti augstā spiedienā.
Pat slavenais Hope dimants var būt veidojies ļoti dziļi planētas mantijā. Kad zinātnieki apgalvo, ka ir atklājuši ļoti dziļi esošus dimantus, šie apgalvojumi bieži vien ir pretrunīgi, daļēji tāpēc, ka ieslēgumi ir tik sīki, ka tajos gandrīz nav materiāla, ko izmērīt. Taču, viņaprāt, varētu būt vērts meklēt kodola un mantijas robežas ieslēgumus. “Tas būtu sava veida atklājums, ja kāds tam varētu atrast pierādījumus,” apgalvo Arizonas universitātes zinātnieki. Pētnieki par saviem atklājumiem šā gada augustā ziņoja žurnālā Geophysical Research Letters.