Carbonat-sedimenter af havet kan oxidere jordens mantel • Vladislav Strekopytov • Videnskabsnyheder om "Elementerne" • Geokemi

Carbonat-sedimenter af havet kan oxidere materien af ​​jordens mantel

Fig. 1. Mikroindeslutninger af granater i diamantkrystaller. Foto fra ualberta.ca

Ved at studere granaterne indesluttet i diamanter fra kimberlitrøret Yakersfonteyn fra Sydafrika har forskerne opdaget et interessant mønster: Graden af ​​oxidering af jern i granater stiger med stigende dybde af mineraldannelse. I en dybde på 240 km er denne parameter 0,08 og i en dybde på 500 km – allerede 0.30. Da der ikke allerede er nogen fri ilt i de nederste dele af det øvre kappe, skal noget andet oxiderende middel virke der. Forfatterne antyder, at disse kan være oceaniske carbonataflejringer, der faldt i mantlen i subduktionszoner sammen med den neddykkede oceaniske litosfæriske plade.

Ud fra kemiens synsvinkel er den vigtigste parameter i ethvert miljø sammen med temperatur og tryk redoxbetingelser, hvoraf en af ​​indikatorerne er graden af ​​oxidation af jern, der er en del af mineraler, det fjerde mest rigelige element i jordskorpen. For geokemister, der studerer jordens indre, er definitionen af ​​disse forhold generelt det første spørgsmål, da både temperatur og tryk for forskellige dybder nemt opnås ved beregning.Men for at have en chance for at forstå dette spørgsmål, skal du få materialet til studier direkte derfra.

Tryk i jordens tarm beregnes ud fra dens densitetsmodel. Forøgelsen i tryk med afstand fra overfladen skyldes flere grunde:
1) kompression på grund af vægten af ​​de overliggende skaller (lithostatisk tryk);
2) faseovergange i skaller med ensartet kemisk sammensætning (især i mantlen);
3) Forskellen i skallets kemiske sammensætning (skorpe og mantel, kappe og kerne).

Ved foden af ​​den kontinentale skorpe er trykket ca. 1 GPa. I mantlen øges trykket gradvist og når 135 GPa ved kanten af ​​kappen og kernen.

For at beregne temperaturer i det indre af planeten anvendes begrebet geotermisk gradient (temperaturstigning med dybde). Ifølge beregninger i litosfæren på en dybde på ca. 100 km er temperaturen ca. 1.300 ° C, i en dybde på 410 km – 1500 ° C, i en dybde på 670 km – 1.800 ° C ved grænsen af ​​kernen og mantlen – 2500 ° C, i en dybde på 5.150 km 3300 ° С, i midten af ​​jorden – 3400 ° С. I dette tilfælde tages der kun hensyn til de vigtigste (og mest sandsynlige for de dybe zoner) varmekilde – energien i den dybe gravitationsdifferentiering, det vil sige varmefrigivelsen under kemiske og faseomdannelser under omfordeling af stoffet ved tæthed.Den vigtigste faktor i sådanne transformationer er tryk.

Vi skrev allerede, at kimberlite-rør er ultra-dybe naturlige "brønde", der giver dig mulighed for at se dybt ind i jorden (se for eksempel nyhederne. Nitrider og carbonitrider fra det nederste kappe kan hjælpe med at finde tabt nitrogen, "Elements", 11/17/2017). Nedbrud af dybe klipper fanget af kimberlite magma og bragt til overfladen (xenolitter) giver grundlæggende oplysninger om sammensætningen af ​​stoffet i det øverste mantel (op til dybder på ca. 200 km). Først og fremmest, i dette tilfælde taler vi om peridotit xenolitter. Talrige prøver af sådanne xenolitter blev undersøgt tidligere, hvorfor der blev trukket en detaljeret ide om den oxiderede tilstand af jern i dybder på op til 200 km (figur 2). En interessant regelmæssighed blev fundet: graden af ​​oxidation af jern steg med dybde og faldt ikke, som man ville forvente, baseret på det faktum, at fri ilt er det vigtigste oxidationsmiddel, og det falder med dybde. Jernens tilstand på b forblev i spørgsmålet.cirkadybere dybder. Naturprøver, der indeholder jern fra dybder på mere end 200 km, er yderst sjældne og findes kun i form af indeslutninger (først og fremmest handler det om mikroindhold af granater) i diamanter af kimberlitrør.I almindelighed er mineralindeslutninger i diamanter fra kimberlitrør i det væsentlige "prøver" af dyb substans bragt til overfladen fra dybder af hundreder af kilometer, fra selve bunden af ​​det øvre kappe (200-410 km) eller endda fra overgangszonen mellem det øvre og nedre kappe ( 419-660 km).

Fig. 2. Andelen af ​​jernoxid (Fe3+) med hensyn til det samlede jernindhold i garnetindeslutninger i diamanter fra Yakhersfontein (røde cirklerifølge forfatterne af artiklen under drøftelse) og i litospheriske granater fra peridotit-xenolitter (andre ikonerifølge andre forskere). Horisontalt nedenunder angivet tryk (i GPa) på toppen – dybde (i km) Overgangszone – overgangssonen af ​​mantlen. Figur fra den diskuterede artikel i Natur geovidenskab

Et team af geokemister fra Oxford University i Storbritannien og University of Bayreuth i Tyskland lykkedes at udfylde et hul i kendskabet til oxidationsmiljøet på store dybder, og også at forstå formen i jordens dybder er jern. De studerede graden af ​​oxidation af jern i 13 prøver af granatæble fra mikroindgreb (0,1-0,3 mm i størrelse) i diamanter fra Yahersfontein kimberlitrøret i Sydafrika (se Jagersfontein Mine). Undersøgelsen af ​​højtryks (dannet ved højt tryk) granater,Fremstillet primært af en sådan variant som majorite (majorite) blev udført ved brug af synchrotron Mossbauer-spektroskopi (SMS) suppleret med røntgen-diffraktion med enkelt krystal (XRD).

For at bestemme dybden af ​​dannelsen af ​​mineraler anvender geokemister de såkaldte geokemiske geobarometre, som er overgangsreaktioner af nogle typer mineraler til andre ved visse tryk. Selvfølgelig skal du tage højde for temperaturen, men trykket er vigtigere, da denne parameter tydeligt angiver dybden af ​​dannelsen af ​​mineralet. Især er det kendt, at pyroxen ved et tryk på mere end 7,5 GPa opløses i granatet og fastgør sig selv i dens sammensætning som faser (Mg, Fe)4Si4O12 og Na2MgSi5O12. Indholdet af disse faser i granat giver ret præcis en ide om de bariske forhold, hvori mineralet blev dannet. For eksempel går hele pyroxen i subductive basaltiske litosfæriske plader i en dybde på ca. 500 km ind i et granatitaggregat bestående af ca. 95% større og ca. 5% stishovit (den tætteste modifikation af siliciumdioxid).

Forskere har opdaget, at med dybden fortsætter stigningen i graden af ​​oxidation af jern, selv om det i dybder svarende til den nedre del af det øverste mantel og overgangszonen hvor, mest sandsynligt,fri ilt er helt fraværende, det var mere logisk at forvente, hvis ikke metallisk jern, så i det mindste jern (bivalent). De meget dybe granater fra overgangsområdet af mantlen indeholder dobbelt så meget Fe3+end de mest oxiderede granater fra det øvre kappe. Den øverste del af det øvre kappe indeholder ca. 6,3 vægtprocent jern, hovedsageligt repræsenteret i form af divalent jern i de vigtigste stendannende mineraler: olivin, pyroxen, spinel og granat. Tidligere udførte Mössbauer spektroskopi analyser af disse mineraler fra peridotit xenoliths eller fra mantle pyroxenitter viser at toppen af ​​det øverste mantel er meget fattige i trivalent (oxid) jern (forhold Fe3+/ (Fe3+ + Fe2+) er ca. 0,036). Det betyder, at mediet i den nedre del af det øvre kappe er mere oxiderende end i sin øverste del, og et kraftigt oxiderende middel virker der!

Denne kendsgerning er i overensstemmelse med hypotesen om, at oxidationsmidlet i dette tilfælde var carbonatfluider eller smelter dannet ved store dybder under smeltningen af ​​carbonatmateriale udfældet i subduktionszoner med havpladen til dybder på mindst 550 km.Det er på denne dybde, at materialet i den dämpende plade smeltes, karbonater reagerer med de omgivende klipper, og carbonet, der frigives under disse reaktioner, kunne være substansens kilde til dannelsen af ​​diamanterne selv. Som en mulig ordning for materieludvikling nævner forfatterne reaktionen Mg2Si2O6 (enstatit) + 2MgCO3 (magnesit) = 2 mg2SiO4 (olivine) + 2С (diamant) + 2О2.

Dataene i artiklen giver os mulighed for at tage et nyt kig på den geokemiske cyklus af kulstof – cyklen af ​​forskellige former for kulstof i alle Jordens kuverter. Det er nu klart, at karbonatsedimenterne af oceanerne spiller en vigtig rolle i denne ordning.

Kilde: Ekaterina S. Kiseeva, Denis M. Vasiukov, Bernard J. Wood, Catherine McCammon, Thomas Stachel, Maxim Bykov, Elena Bykova, Aleksandr Chumakov, Valerio Cerantola, Jeff W. Harris, Leonid Dubrovinsky. Oxideret jern i granater fra mantelovergangsområdet // Natur geovidenskab. 2018. DOI: 10,1038 / s41561-017-0055-7.

Vladislav Strekopytov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: