Алмазы бегут вверх, будто сбегают от гибели: газ превращает смертельную глубину в путь наверх

Учёные обнаружили вещество, поднимающее алмазы с глубины 150 км — Geology

Алмазы редко дают шанс заглянуть в глубокую историю Земли, но новое исследование раскрывает механизм, который позволяет им подниматься к поверхности практически невредимыми. Учёные смоделировали, как особые смеси летучих веществ удерживают кимберлитовую магму в плавучем состоянии на огромной глубине. Ключевым фактором оказалось содержание углекислого газа, которое определяет судьбу будущих алмазов. Об этом сообщает издание Geology.

Как поднимается магма и почему алмазы выживают

Исследование объясняет, от чего зависит способность кимберлитовой магмы подниматься из мантии, преодолевая плотные породы древних кратонов. Главная сложность в том, что на глубине более 150 километров условия резко меняются, и расплав может потерять плавучесть. Команда исследователей сосредоточила внимание на кимберлитовой трубе Иерихон — объекте в северной части Канады, где сохранились следы древней магматической активности. Их целью было понять, какие компоненты обеспечивают уверенный подъём расплава и сохранение алмазов.

"Самый важный вывод, который можно сделать из этого исследования, заключается в том, что нам удалось определить количество CO₂, необходимое для успешного подъёма через кратон Слейв в кимберлите Джерико", — сказала руководитель работы Ана Анзулович, докторант Центра планетарной обитаемости Университета Осло.

Учёные объясняют, что алмазы могут дойти до поверхности только в том случае, если кимберлит поднимается достаточно быстро. Медленный подъём приводит к превращению алмазов в графит — форму углерода, устойчивую в верхних слоях коры. Быстрые же процессы дают шанс сохранить структуру минерала до момента охлаждения. Эти выводы подтверждают многолетние наблюдения за кимберлитовыми извержениями, которые всегда происходят резко и выбрасывают на поверхность крупные фрагменты мантийных пород.

Исследование подчёркивает: растворённые летучие вещества — вода и углекислый газ — определяют, будет ли магма легче окружающей мантии. Чем выше содержание CO₂, тем больше вероятность, что расплав сможет пройти границу между мантией и земной корой, не остановившись в толще пород.

Почему углекислый газ — ключевой компонент

В ходе работы исследователи установили точное значение, при котором расплав способен преодолеть линию Мохоровичича — резкий переход между корой и мантией. Порог составил 8,2 % CO₂, и именно он стал предметом основного внимания.

"Наш состав с высоким содержанием летучих веществ может вынести на поверхность до 44 % мантийного перидотита, что действительно впечатляет для расплава с такой низкой вязкостью", — отметила команда исследователей в выводах.

Учёные подчеркивают, что углерод выполняет двойную роль. На больших глубинах он укрепляет внутреннюю структуру расплава, снижая вероятность его разрушения, а ближе к поверхности начинает выходить в форме пузырьков, создавая дополнительный подъёмный эффект. Без углерода магма стала бы плотнее окружающего кратона, потеряла бы плавучесть и не смогла бы достичь верхней коры.

Также команда подметила, что вода и CO₂ воздействуют на магму по-разному: вода снижает вязкость и повышает подвижность атомов, а углекислый газ обеспечивает стабильность и газовый "толчок" при снижении давления. Эти различия помогают объяснить, почему разные кимберлитовые трубы содержат неодинаковое количество фрагментов мантии и почему некоторые из них извергались, а другие — нет.

Труба Иерихон как модель для понимания глубинных процессов

Иерихон находится в северной части кратона Слейв — одного из самых древних континентальных блоков Земли. Его породы хранят данные о составе глубинной мантии, а кимберлитовые фрагменты помогают отслеживать путь магмы в деталях. По мере подъёма расплав разламывается, захватывая ксенолиты и ксенокристаллы — обломки пород и отдельные минералы, которые дают информацию о химии глубинных слоёв.

"Мы стремились создать химическую модель кимберлита и изменить баланс воды и CO₂, чтобы увидеть, как будет вести себя расплав при движении вверх", — пояснили авторы исследования.

Такой подход оказался эффективным: сравнение нескольких сценариев показало, какие смеси летучих веществ способны сохранять плавучесть даже на границе мантии и коры. Использование поатомного моделирования помогло точно рассчитать изменения плотности при падении давления. Благодаря этому исследователи смогли восстановить условия, при которых кимберлит Иерихон поднял на поверхность значительный объём мантийного перидотита.

Данные реконструкции имеют практическое значение для геологов. Они показывают, какие трубы стоит изучать глубже, а какие могли остановиться из-за недостатка углекислого газа. Это помогает улучшить стратегии поисков алмазов и объясняет, почему одни структуры активны, а другие остаются без следов извержений.

Сравнение роли воды и CO₂ в подъёме кимберлита

Изучение поведения летучих веществ показывает несколько важных отличий.

Вода снижает вязкость. Это делает расплав более подвижным, облегчает переход через плотные породы и помогает сохранять текучесть на разных глубинах.
CO₂ поддерживает структуру. На больших глубинах он стабилизирует расплав, а затем обеспечивает газовое расширение при подъёме.
Комбинация летучих веществ обеспечивает баланс. Вода отвечает за динамику, углекислый газ — за плавучесть.
Порог CO₂ является критическим. При содержании ниже 8,2 % движение магмы может остановиться в коре.

Эти наблюдения показывают, почему разные кимберлитовые трубки имеют разный химический состав и разное количество мантийного материала в составе пород.

Плюсы и минусы высоколетучих кимберлитов

Перед рассмотрением списка важно подчеркнуть, что богатая летучими веществами магма обладает уникальными свойствами, влияющими на алмазоносность труб.

Плюсы:
• повышенная плавучесть за счёт CO₂;
• способность поднимать крупные объёмы мантийного перидотита;
• быстрое движение, благоприятное для сохранения алмазов;
• низкая вязкость и высокая текучесть.

Минусы:
• зависимость от точного баланса летучих веществ;
• риск остановки при слишком низком содержании CO₂;
• сложность моделирования таких систем;
• чувствительность к давлению на глубине.

Советы по изучению кимберлитовых труб

Понимание поведения летучих компонентов помогает исследователям эффективнее планировать работы.

Определить содержание CO₂ в образцах из трубки, чтобы оценить вероятность полного извержения.
Изучить ксенолиты, чтобы восстановить путь магмы и условия её формирования.
Сравнить состав летучих веществ с моделями мантии данного региона.
Выполнить реконструкцию плотности расплава для оценки его плавучести.
Проверить, соответствует ли химический профиль трубки успешным моделям подъёма.