7 Minutės
Dauguma natūralių deimantų pasiekia Žemės paviršių įsikūrę retame, morkos pavidalo vulkaniniame uolienos lizde, vadinamame kimberlitu. Nauji Oslos universiteto kompiuteriniai modeliai atskleidžia, kaip vos kelių procentų laisvųjų (volatilių) komponentų — daugiausia anglies dioksido (CO2) ir vandens (H2O) — kiekiai keičia kimberlito chemines savybes ir jo plūdrumą, lemiančius, ar šios giluminės kilmės magmos gali prasiveržti per plutą ir atnešti deimantus į paviršių. Tyrimas apima atomistinius ir makrolyginio elgesio ryšius, kurie yra svarbūs ne tik deimantų geologijai, bet ir giluminio anglies transportavimo bei kratonų evoliucijos supratimui.
Why kimberlites matter: a window into Earth’s deep interior
Kimberlitai yra geologiškai neįprasti reiškiniai. Jie susidaro kaip siauri, vertikalūs kamščiai arba vamzdžiai, kilę iš daugiau nei 150 km gylio mantijoje ir išsiveržiantys ypač greitai bei eksploziniu būdu; greitis gali viršyti 80 mylių per valandą (daugiau nei 120 km/h), kai vyksta agresyvus diafragminis pakilimas. Dėl to, kad kimberlitai „pamėgina“ labai dideles mantijos gelmes, jie iškelia fragmentus mantijos uolienų ir brangiųjų mineralų — įskaitant deimantus — kuriuos įtraukia pakildami. Šios geologinės „liftinės“ savybės daro kimberlitus neįkainojamus geologams: jie suteikia tiesioginį langą į Žemės gilumą, leidžiantį analizuoti mantijos mineralogiją, izotopinius signalus, anglies rezervuarus ir sąlygas, kuriomis deimantai išlieka stabilūs ir keliauja link paviršiaus.
Modeling volatile chemistry: CO2 and water play different roles
Doktorantės Anos Anzulović vadovaujama tyrėjų grupė panaudojo molekulinių dinaminių (molecular dynamics) skaičiavimus ir cheminio pusiausvyros modeliavimą siekdama atkurti, kaip tėvinė arba proto-kimberlitinė lydalo fazė elgiasi kylant per mantiją ir plutos apačią. Tyrimo atvejo objektu pasirinktas Jericho kimberlitas Kanados Slave kratone — gerai dokumentuotas pavyzdys, suteikiantis realistinį kontekstą volatilių kiekio testavimui. Varydami CO2 ir H2O koncentracijas simuliuotoje lydalo fazėje bei stebėdami tokius parametrus kaip tankis, klampumas (viskozitetas) ir difuzija, mokslininkai sukvantifikavo tikslius volatilių biudžeto reikalavimus, būtinus, kad protrūkis įvyktų ir magmai pasiektų paviršių.
Tyrimas rodo, kad vanduo ir anglies dioksidas veikia lydalą kompleksiškai ir papildomai. Vanduo didina dalelių judrumą ir difuziją, mažina lokalias stabilizacijos puses, todėl lydalas išlieka mobiliu, atitolina ankstyvą kristalizaciją ir padeda palaikyti žemą viskozę tam, kad magma galėtų tekėti aukštais greičiais. Priešingai, CO2 struktūruoja ir lengvina lydalą dideliame gylyje — sumažina tankį, palyginti su aplinkiniu peridotitu — ir vėliau, kylant link paviršiaus, eksoliuoja (degazuoja), sudarydamas judėjimą skatinančią plūdrumą bei sprogstamąją trauką, kuri reikalinga greitam ir destruktyviam išsiveržimui. Trumpai tariant: H2O palaiko magmos tekėjimą; CO2 lemia jos plūdrumą ir suteikia sprogstamąją jėgą.
How much CO2 is enough?
Vienas iš straipsnio konkretesnių rezultatų yra slenkstis Jericho sistemai: tėvinėje lydalo fazėje turi būti bent apie 8,2 % CO2, kad lydalas išliktų pakankamai plūduriuojantis ir galėtų prasiveržti per storąją kratoninę litosferą. Žemiau šio volatilių tankio modeliuota lydalo fazė tampa tankesnė už aplinkinę kratoninę mantiją ir sustoja, todėl deimantai lieka įkalinti gilumoje, kur esant ilgesniam laikui jie turi didesnę tikimybę paversti grafitu arba kitaip prarasti savo stabilumą. Šis skaičius reprezentuoja tikslesnę ribą konkretiems termodinaminėms sąlygoms, kurios tyrime buvo modeliuojamos, tačiau analogiški principai galioja ir kitoms sistemoms — skiriasi tik kiekybinės ribos priklausomai nuo slėgio, temperatūros ir uolienų komponentų.
Net ir esant vidutinėms CO2 koncentracijoms, lydalas gali įtraukti stulbinančiai didelius mantijos fragmentų kiekius: tyrėjų turtingiausi volatilių modeliai pasiūlė, kad iki 44 % mantijos peridotito gali būti įtraukiama kaip ksenolitai ir ksenokristalai. Toks kietųjų fazių įmaišymas sumažina efektyvų magmao tūrio dalies grynumą, bet kartu rodo, jog žema viskozė (leidžianti greitai tekėti) kartu su volatilių sukelta plūdruma (leidžiančia kilti) sudaro reikiamą pusiausvyrą, kuri lemia, kodėl kimberlito protrūkiai yra greiti ir itin sprogūs. Ši dinamika taip pat paaiškina, kodėl kimberlitai dažnai pristato didelius kiekis uolienų xenolitų ir xenokristalų, kuriuos geochemikai tiria, norėdami sužinoti apie mantijos chemines sąlygas.
Why rapid ascent matters for diamonds
Deimantų stabilumas priklauso nuo slėgio ir temperatūros būklės. Gilioje mantijoje esantys slėgio ir temperatūros santykiai (dažnai aukšti slėgiai ir santykinai žemesnės temperatūros zonos, atsižvelgiant į konkretų geoterminį gradientą) palaiko anglies atominę struktūrą kaip deimantą. Tačiau kylant link paviršiaus, slėgis krenta ir temperatūra gali pasikeisti tokiu būdu, kad grafito forma tampa termodinamiškai palankesnė. Greitis, kuriuo kimberlito lyda kyla, yra esminis: greitai pakylanti, volatilių prisotinta kimberlito magma gali „pervežti" deimantus į paviršių greičiau, nei vyksta jų rekristalizacija į grafitą ar degradacija. Tai paaiškina empirinius duomenis: daugiau nei 70 % iškastų natūralių deimantų pasaulyje yra rasti kimberlitinėse apnašose ar susijusiose struktūrose.
Be to, greito pakilimo metu deimantai patiria santykinai trumpą laiką aukštesnėse temperatūrose, todėl išvengiama ilgalaikio terminio reequilibravimo su aplinka. Ši vertybė dar labiau paaiškina, kodėl mineralų paieška (mineral exploration) orientuota į kimberlitus: jie yra ne tik potencialūs komercinių deimantų telkinių nešiotojai, bet ir vertingi geologiniai archyvai, fiksuojantys giluminės Žemės chemines ir fizines sąlygas.
Deimantų kasykla
Broader implications and future research
Šis modeliavimas apjungia atomistinio mastelio tarpakcijas su didelio masto geologiniais procesais ir atveria kelias platesnes implikacijas. Apribojus volatilių proporcijas tėvinėse lydalose, mokslininkai gali geriau prognozuoti, kurie senoviniai magminiai įvykiai galėjo būti pakankamai „agresyvūs" atnešti giluminės mantijos medžiagą iki paviršiaus. Tai turi reikšmę ne vien deimantams: šis suvokimas padeda paaiškinti giluminio anglies ciklo dalis (kaip anglis transportuojama nuo mantijos iki atmosferos ir litosferos), kodėl tam tikrose kratonų dalyse kimberlitai yra reti erdviškai ir laike, bei kaip volatilių turinčios magmos prisideda prie ilgalaikio kratonų stabilumo arba jų pokyčių.
Ateityje tikėtina, kad pažangūs skaitmeniniai modeliai bus derinami su gilesniais geocheminiais tyrimais: kimberlitų ksenolitų chemine analize, daugiainčių izotopinių metodų taikymu ir eksperimentine petrologija, siekiant tiksliau apibrėžti volatilių ribas skirtinguose kratonuose. Tokie patobulinimai galėtų turėti praktinę vertę mineralų paieškos industrijai, nes aiškesnis P-T-volatilis langų supratimas leistų tiksliau nuspėti, kur istorijoje galėjo įvykti deimantų turinčių protrūkių sąlygos. Taip pat modeliai gali būti susieti su geofizikiniais duomenimis, pavyzdžiui, seismine tomografija ar magnetiniu ir gravimetriniu žemėlapiu analizėmis, identifikuojant subtilius požymius, kurie rodo praeities magminių srautų kanalus arba volatilių sankaupas mantijoje.
Be to, geresnis volatilių kiekio nustatymas gali padėti suprasti platų spektrą Žemės dinamikos procesų: kaip anglies dioksidas iš mantijos prisideda prie ilgalaikių klimato reguliavimo procesų, kurios uolienų grandinės dalys gali veikti kaip giluminiai anglies rezervuarai, ir kaip tam tikri magmos evoliucijos keliai lemia skirtingus protrūkių tipus. Kombinuojant termodinamiką, kinetiką ir tikrus laukinius (field) duomenis galima sukurti patikimesnius prognozavimo modelius, kurie turi tiek akademinę, tiek pramoninę vertę.
Expert Insight
„Modeliavimas suteikia mums trūkstamą ryšį tarp to, ką stebime paviršiuje, ir nematomos chemijos didžiuosiuose gyliuose,“ sako dr. Evelyn Mercer, petrologė, nedalyvavusi šiame tyrime. „CO2 ir H2O biudžeto kiekybinis įvertinimas parodo, kodėl tik keli lydalai tampa eruptuojančiais kimberlito kandidatais — dauguma lydalų sustoja ir kristalizuoja kur kas anksčiau, nei pasiekia plutą.“
Šie rezultatai pabrėžia platesnę tiesą apie Žemės dinamiką: nedideli cheminės sudėties pokyčiai — vos keli procentai volatilių — gali valdyti spektaklines, planetą formuojančias įvykių grandines. Kimberlitams tinkamas CO2 ir vandens derinys paverčia įprastą lydalą sprogusia liftine sistema, trumpam atverdama jungtį tarp planetos giluminės mantijos ir jos paviršiaus. Tai sukelia vietinius, bet kartais itin reikšmingus poveikius: nuo deimantų telkinių susidarymo iki anglies pernašos grandinių pakeitimo regioniniame mastelyje.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą