8 Minutės
Nikelio turtingos inkluzijos užrakintose supergiliuose deimantuose
Iš Pietų Afrikos Voorspoed kasyklos atkasti deimantai slepia metalinius geležies–nikelio lydinius ir nikelio turtingas karbonatines inkluzijas, kurios fiksuoja chemines reakcijas maždaug 300–470 km gylyje po Žemės paviršiumi. Yael Kempe ir Yaakov Weiss vadovaujama mokslininkų komanda (Jeruzalės Hebrajų universitetas) identifikavo nano- ir mikrolygio metalinius lydinius bei karbonatines fazes, įkalintas deimantų viduje. Šios fazės susiformavo giliajame viršutiniajame mantijoje ir plokščiojo zonos seklumoje, išsaugodamos gyvą įrašą apie metasomatinius procesus galinčius veikti pluošto mastu.
Inkluzijų matmenys — nuo nanometrų iki mikrometrų — ir jų fazinis sudėtingumas leidžia rekonstruoti ne tik chemines, bet ir termodinamines sąlygas, susijusias su uolienų ir lydalų sąveika. Nikelio turtingi lydiniai atrasti Voorspoed deimantuose suteikia pirmąją natūraliosios patvirtinimo eilutę idėjoms, kurios ilgą laiką buvo modeliuojamos tik laboratorinėmis sąlygomis. Tokių inkluzijų buvimas parodo, kaip giliai vykstantys redoks procesai formuoja ne tik magmas, bet ir pačius deimantus — jų sudėtį, augimo mechanizmus ir transporto istoriją iki paviršiaus.
Mokslinis kontekstas ir taikyti metodai
Žemės mantija yra cheminėmis permainomis pasižyminti zona: ji konvektuodama perneša šilumą, įtraukia ir paleidžia volatilius komponentus bei nuolatos keičia ryšius su žieve. Vienas iš svarbių, bet dažnai tiesiogiai nematuojamų parametrų yra mantijos redoks būsena — santykis tarp oksiduotų ir redukuotų cheminių rūšių. Ši būsena lemia mineralų stabilumą, volatilių speciationą ir magmų kompoziciją. Vietinės oksidacijos sąlygos gali radikaliai pakeisti, kurie mineralai arba fazės yra stabilios, o kurie tampa tirpstančios ar reakcijos produktu.
Eksperimentai esant aukštam slėgiui ir termodinaminiai modeliai jau seniai prognozuoja, kad nikelio turtingi metaliniai lydiniai gali būti stabilūs šimtatūkstančių kilometrų gyliuose. Tačiau natūrinių įrodymų stigo dėl to, kad tokios fazės dažnai yra per mažos arba transformuotos iki iškėlimų metu. Weiss ir kolegos pasinaudojo pažangiomis elektroninėmis vaizdavimo ir spektroskopijos metodikomis Nanocentre (Hebrajų universitetas) bei partnerių laboratorijose (Nevados universitetas, Kembridžo universitetas), kad ištirtų nanoinkluzijas Voorspoed deimantuose. Darbe naudoti metodai — fokusinio jonų pluošto (FIB) mėginių paruošimas, (S)TEM aukštos skiriamosios gebos vaizdai, EDS/EDX elementinė analizė, EELS energinės praradimo spektroskopija, mikroskopinė Raman spektrometrija ir, kai kuriais atvejais, atomų zondavimo tomografija — leido atskirti atskiras fazes ir jų santykius milžiniškai mažame tūryje.
Be minėtų analizės įrankių, svarbų apribojantį indeksą suteikė slėgiui ir temperatūrai jautrios inkluzijos: koezitas (coesite), kalio turtingos aliumininės fazės ir molekulinis kietasis azotas. Šios fazės veikia kaip natūralūs geobarometrai — jų buvimas ir struktūra leidžia nustatyti, kad inkluzijos susiformavo maždaug 280–470 km gylyje, kas atitinka gilųjį viršutinį mantijos sluoksnį ir sekliąjį perėjimo zonos intervalą. Orientaciniai slėgio intervalai šiame gylyje atsiskaito maždaug nuo ~9 GPa iki ~14 GPa, priklausomai nuo temperatūros, ir tokios sąlygos sutampa su modelinėmis prognozėmis nikelio lydinių stabilumui.
Pagrindinis atradimas: redoksinio „užšaldymo" momentinės reakcijų pajautos
Identifikavus geležies–nikelio metalą šalia nikelio praturtintų karbonatų toje pačioje inkluzijoje, mokslininkai pasiūlė lokalizuotą metasomatinį mechanizmą, vadinamą redoksiniu „užšaldymu" (redox-freezing). Šiame scenarijuje oksiduotas karbonatiniam–silicatinis lydalas prasiskverbė į labiau redukuotą, metalinių komponentų turinčią peridotitą. Kaitos metu geležis linko oksiduotis ir perėjo į tirpalą, tuo pačiu palikdama likusį metalo likutį turtingesnį nikeliu; kartu karbonatinis lydalas kristalizavo nikelio turtingas karbonatines fazes, arba kai kuriais atvejais buvo redukuotas iki anglies (deimanto) formavimosi.
Weiss žodžiais: „Šie deimantai veikia kaip mikroskopinės laiko kapsulės“, apibūdindamas, kaip tiek reaktantai, tiek produktai buvo įkalinti prieš visuotinį persiderinimąsi su aplinkine mantija. Tokiu būdu sudarytas natūralus „fotografinis“ užfiksavimas — reakcijos momentas užfiksuotas deimanto karkase, neleisdamas periferinei mantijai iš naujo suvienodinti koncentracijas. Tai pirmasis natūralus patvirtinimas nikelio turtingų lydinių egzistavimui gyliuose, kuriuos prognozavo teoriniai modeliai; duomenys patvirtina mantijos redoks dinamikos modelius ir papildomai suteikia konkrečius mineraloginius bei cheminius parametrus tolimesniems eksperimentams.
Tokio tipo „užšaldytos" reakcijos iliustruoja, kad deimantai ne tik formuojasi esant aukštam slėgiui, bet ir gali užfiksuoti trumpalaikius, erdviniu požiūriu ribotus metasomatinius įvykius, kurie įprastomis sąlygomis būtų neaptinkami. Tai atveria galimybes rekonstruoti ne tik bendrą mantijos cheminę sudėtį, bet ir mažo masto heterogeniškumą, evoliucijos istoriją bei volatilių rezervuarų gausumą ir pobūdį.
Reikšmė mantijos dinamika ir magmatizmui
Mažos inkluzijos turi plačias implikacijas. Lokalizuoti oksidacijos įvykiai, kuriuos sukelia tirpalų įsiskverbimas, gali suformuoti volatilių ir karbonatų prisotintas mantijos kišenes. Tokios kišenės vėliau gali tapti uolienų šaltiniais, generuojančiais volatilių praturtintas magmas — pavyzdžiui, kimberlitus ir lamprofyrus. Šios magmos gali kilti greitai iš šimtų kilometrų ir į paviršių nešti deimantus bei kitus gilius mineralus, taip sujungdamos giliusias redoks procesus su paviršinėmis geologinėmis demonstracijomis, tokiomis kaip žaibiškos intruzijos arba išsiveržimai.
Svarbu pabrėžti, kad metasomatiniai procesai gali būti epizodiniai ir erdviniu požiūriu pleistruoti — tai reiškia, kad mantija nėra vientisa masė, o sudėtingas mozaikos tipas, kuriame smulkios, cheminiais elementais praturtintos zonos gali turėti reikšmingą poveikį magmų ritmui ir jų savybėms. Tokios zonos, praturtintos kalio, elementų, kurie šėlsta karbonatų fazėse, arba kitų nepagrindinių (incompatible) elementų, gali būti predisponuotos silpnesnei litologinei struktūrai ir padidėjusiam skysčio mobilumui, o tai skatina greitą magmos augimą ir judėjimą link paviršiaus.
Be to, redoksiniai pokyčiai keičia anglies speciationą: oksidacinė aplinka skatina anglies kaupimą karbonatinėse fazėse, o redukuotos sąlygos palankios anglies redukcijai iki elementinio anglies ir deimanto formavimosi. Tokiu būdu vienas metasominis įvykis gali turėti dvigubą efektą — suformuoti anglies neorganines sankaupas ir tuo pačiu sukurti sąlygas deimantams susiformuoti bei išlikti. Tai stiprina ryšį tarp gilaus anglies ciklo ir magmatizmo, rodant, kaip giliai užrakintos fazės gali paveikti paviršines geocheminių signalų emisijas.
Platesni geocheminiai ryšiai
Jei metasomatinė oksidacija yra epizodinė ir erdviniu požiūriu nelygi, tai paaiškina, kodėl kai kurios supergiliai kilusių deimantų inkluzijos fiksuoja aukštesnes deguonies fugacity reikšmes nei aplinkinė mantija. Tokie skirtumai gali atsirasti dėl to, kad tirpalas vietiškai koncentruoja oksidantas (pvz., Fe3+, oksiduotus kationus) ir neperdengia platesnio mantijos tūrio.
Enrichavimas kalio, karbonatų ir kitų nepagrindinių elementų per redoksinius įvykius gali paruošti mažas mantijos sritis staigioms, volatilių turtingoms eruptyvoms reakcijoms. Pavyzdžiui, kimberlitai — dažnai volatiliškai praturtintos magmos — turi gebėjimą į paviršių greitai pernešti giliai susiformavusius mineralus. Cheminės ir izotopinės inkliuzijų žymės gali parodyti, ar magma iškilo iš metasomatinės zonos, ir taip padėti atskirti įvairius magminių šaltinių tipų komponentus.
Izotopiniai signalai anglies ir kitų elementų (pvz., Sr, Nd, Pb) taip pat gali atskleisti metasomatinės veiklos įtaką. Pavyzdžiui, specifinės izotopinės frakcijos gali wskazyti, ar karbonatinis skystis buvo susijęs su gilesnėmis litosferos zonomis ar su plokštelės paviršiaus medžiagų subdukcija. Tokios nuorodos padeda suvokti, kaip kompoziciniai pokyčiai mantijoje susiję su plokščių tektonika ir paviršinėmis geocheminėmis apraiškomis.
Išvados
Voorspoed deimantai pateikia retą ir vertingą tiesioginį gilaus mantijos redoksinių reakcijų įrašą ir patvirtina ilgai modeliuotas prognozes apie nikelio turtingų lydinių stabilumą gyliuose. Išsaugoję tiek metalines, tiek karbonatines fazes, šie deimantai atskleidžia, kaip lydalų ir uolienų sąveika pertvarko mantijos cheminių rezervuarų sudėtį bei sukuria volatilių sandėliavimo zonas, kurios vėliau gali generuoti kimberlitus ir kitas volatilių turtingas magmas.
Kaip mineralinės laiko kapsulės, deimantai toliau atveria paslėptus procesus, formuojančius Žemės vidų. Tolimesni tyrimai, apimantys plačią isotopinę analizę, aukšto slėgio eksperimentus ir modeliavimą, padės tiksliau kvantifikuoti tokių metasomatinių įvykių svarbą didesniu mastu. Taip pat verta plėtoti in-situ analizės metodus ir pritaikyti naujas instrumentines technikas, kad būtų galima identifikuoti ir analizuoti dar mažesnio masto inkliuzijas bei papildomai susieti mikrofazinius duomenis su platesnėmis mantijos procesuose vykstančiomis dinamikomis.
Gilinantis į tokias natūralias „diagnostikas", mokslininkai galės geriau suprasti giluminio anglies ciklo mechanizmus, mantijos heterogeniškumą ir cheminius kelius, kuriais volatiliai ir metalai migruoja per Žemės plutos sluoksnius. Tokios žinios yra būtinos ne tik fundamentaliai geologijai, bet ir praktinėms sritims, pavyzdžiui, mineralų žvalgymui bei rizikos vertinimui susijusiam su ugnikalniais ar plutos dinamikos modeliavimu.
Šaltinis: sciencedaily
Komentarai