Diamanter og rust ved jordas kjerne-mantel-grense

Stål ruster av vann og luft på jordens overflate. Men hva med dypt inne i jordens indre?

Jordens kjerne er den største karbon lagring på jorden – omtrent 90% er begravet der. Forskere har vist at oseanisk skorpe som sitter på toppen av tektoniske plater og faller inn i det indre, gjennom subduksjon, inneholder vannholdige mineraler og kan noen ganger gå ned helt til kjernen-mantel grense. Temperaturen ved grensen mellom kjerne og mantel er minst dobbelt så varm som lava, og høy nok til at vann kan frigjøres fra de vannholdige mineralene. Derfor kan en kjemisk reaksjon som ligner på rustende stål oppstå ved jordas kjerne-mantel-grense.

Byeongkwan Ko, en fersk Arizona State University Ph.D. utdannet, og hans samarbeidspartnere publiserte sine funn om kjerne-mantel-grensen i Geofysiske forskningsbrev. De utførte eksperimenter ved Advanced Photon Source ved Argonne National Laboratory, hvor de komprimerte jern-karbon-legering og vann sammen til trykket og temperaturen forventet ved jordens kjerne-mantel-grense, og smeltet jern-karbon-legeringen.

Forskerne fant at vann og metall reagerer og lager jernoksider og jernhydroksider, akkurat som det som skjer med rust på jordoverflaten. Imidlertid fant de at for betingelsene for kjerne-mantel-grensen kommer karbon ut av den flytende jern-metall-legeringen og danner diamant.

“Temperaturen ved grensen mellom silikatmantelen og den metalliske kjernen på 3000 km dybde når til omtrent 7000 F, som er tilstrekkelig høy til at de fleste mineraler mister H₂O fanget i deres atomskalastrukturer,” sa Dan Shim, professor ved ASUs School of Earth and Space Exploration. “Faktisk er temperaturen høy nok til at noen mineraler bør smelte under slike forhold.”

Fordi karbon er et jernelskende grunnstoff, forventes det å eksistere betydelig karbon i kjernen, mens mantelen antas å ha relativt lavt karbon. Imidlertid har forskere funnet ut at det finnes mye mer karbon i mantelen enn forventet.

“Ved trykket som forventes for jordens kjerne-mantel-grense, ser det ut til at hydrogenlegering med jernmetallvæske reduserer løseligheten til andre lette elementer i kjernen,” sa Shim. “Derfor avtar løseligheten av karbon, som sannsynligvis eksisterer i jordens kjerne, lokalt der hydrogen kommer inn i kjernen fra mantelen (gjennom dehydrering). Den stabile formen for karbon ved trykk-temperatur-forholdene til jordens kjerne-mantel-grense er diamant Så karbonet som slipper ut fra den flytende ytre kjernen vil bli diamant når det kommer inn i mantelen.”

«Karbon er et essensielt element for livet og spiller en viktig rolle i mange geologiske prosesser,” sa Ko. “Den nye oppdagelsen av en karbonoverføringsmekanisme fra kjernen til mantelen vil kaste lys over forståelsen av karbonsyklusen i jordens dype indre. Dette er enda mer spennende gitt at diamantdannelsen ved grensen mellom kjerne og mantel kan ha pågått i milliarder av år siden initieringen av subduksjon på planeten.”

Kos nye studie viser at karbon som lekker fra kjernen inn i mantelen ved denne diamantdannelsesprosessen kan tilføre nok karbon til å forklare de forhøyede karbonmengdene i mantelen. Ko og hans samarbeidspartnere spådde også at diamantrike strukturer kan eksistere ved grensen mellom kjerne og mantel og at seismiske studier kan oppdage strukturene fordi seismiske bølger skal bevege seg uvanlig raskt for strukturene.

“Grunnen til at seismiske bølger bør forplante seg eksepsjonelt raskt gjennom diamantrike strukturer ved grensen mellom kjerne og mantel, er fordi diamant er ekstremt inkompressibel og mindre tett enn andre materialer ved kjerne-mantel grense“, sa Shim.

Ko og teamet vil fortsette å undersøke hvordan reaksjonen også kan endre konsentrasjonen av andre lette elementer i kjernen, som silisium, svovel og oksygen, og hvordan slike endringer kan påvirke mineralogien til den dype mantelen.

---

---