1. Нітриди і карбонітриди з нижньої мантії можуть допомогти знайти втрачений азот Вивчивши склад включень...
2. Нітриди і карбонітриди з нижньої мантії можуть допомогти знайти втрачений азот

Нітриди і карбонітриди з нижньої мантії можуть допомогти знайти втрачений азот

Вивчивши склад включень в алмазах з нижньої мантії Землі, вчені вперше виявили в їх складі нітриди і карбонітриди заліза, швидше за все утворилися в процесі інфільтрації рідкого металу, що містить легкі елементи, з зовнішнього ядра в підошву нижньої мантії. Припущення про те, що ядро є головним резервуаром азоту, дозволяє зняти питання про «дефіциті азоту» в надрах Землі в порівнянні з іншими планетами Сонячної системи.

Для прямого вивчення геологам доступні лише зовнішні шари Землі (до 15 км від поверхні), куди можна «добратися» за допомогою буріння. до мантії - частини земної товщі, яка знаходиться між ядром і корою на глибинах від 30 до 2900 км, дістатися поки неможливо: занадто дорого і складно при сучасних технологіях. Найглибша в світі Кольська надглибока свердловина при плановій глибині 15000 м реально досягла позначки 12262 м від поверхні Землі і була зупинена у зв'язку з припиненням фінансування в 1995 році. Тому уявлення про склад мантії і відбуваються в ній ґрунтуються здебільшого на непрямих даних геофізики, космохімії, експериментальної мінералогії, петрології і геохімії.

Однак в історії Землі неодноразово відбувався геологічний процес, в ході якого на поверхню виносилося матеріал з великих глибин. Йдеться про освіту кімберлітових трубок (Рис. 2): вертикальних або близьких до вертикальних геологічних тіл, заповнених кимберлитом . Ця своєрідна гірська порода ультраосновного складу брекчіевідно (уламкового) будови містить кристали глибинних мінералів - алмазу , олівіну , піропу , ільменіту , хромдіопсиди , флогопита , а також ксеноліти (Уламки) мантійних порід. Саме кімберлітові трубки є головним первинним джерелом природних алмазів. На нашій планеті відомо більше 4000 кімберлітових трубок, алмазоносними з них є приблизно 3-4%. Кімберліту мають різний вік (як правило, це сотні мільйонів років), але територіально більшість з них приурочено до древніх платформ .

Мал. 2. Схема будови типової кимберлитовой трубки. Верхня частина (кратер) заповнена перевідкладеними пирокластами - уламковим матеріалом, викинутим під час вибуху. Звужуючись вниз, кратер переходить в лійкоподібну (діатремовую) частина, складену крупноуламковими породами - кімберлітових брекчиями. Сама нижня коренева частина трубок (підвідний канал) складена масивним кимберлитом. Підвідний канал часто розділяється на кілька частин, кожна з яких з глибиною переходить в Дайк - вертикально стоїть плітообразную структуру (тріщину, заповнену магматическим розплавом). Малюнок з сайту ru.wikipedia.org

Щоб атоми вуглецю «склалися» в кубічну кристалічну решітку і утворився алмаз, потрібні високі температури (1400-1900 ° С) і величезні тиску - не менше 4-5 ГПа (40000-50000 атмосфер), а також стійкий подток вуглецю або його сполук до місцях кристалізації алмазу. На поверхні Землі такі тиску можуть виникнути лише у виняткових випадках, наприклад, в місцях падіння великих метеоритів. Дійсно, в стародавніх і сучасних метеоритних кратерах знаходять Імпактний (Що виникли в момент удару) алмази. Однак більшість алмазів все-таки формуються глибоко в мантії Землі. Потім глибинна магма, що містить кристали алмазів, піднімається уздовж розломів, які виникають під час тектонічної активізації платформ. При цьому утворюються кімберлітові дайки . Коли тиск газів в кимберлитовой магмі перевершує зовнішній тиск, відбувається газовий прорив, що супроводжувався дробленням гірських порід. Утворилися порожнини (трубки) заповнюються уламками порід і кімберлітових розплавом.

Глибинні ксеноліти і мінерали кімберлітів є унікальними джерелами інформації про глибинні оболонках Землі. Не випадково кімберлітові трубки називають «природними надглибоких свердловин». Основний інтерес представляють навіть не самі глибинні мінерали, а газово-рідкі та тверді включення в них (рис. 1), що представляють собою фрагменти середовища, в якій відбувалося утворення цих мінералів. Алмази займають серед джерел інформації про мантії особливе місце (див. Алмази в перідотітах утворилися з рідких і газоподібних вуглеводнів перехідної зони мантії , «Елементи», 02.11.2017). Більшість алмазів відбуваються з глибин 150-200 км (верхня мантія), але є і такі, які відносяться до глибин перехідної зони мантії (410-660 км) і до нижньої мантії (понад 660 км). Кімберліту району Ріо-сорису в Бразилії - це унікальні глибинні освіти, що містять матеріал з глибин близько 1700 км, який був піднятий до поверхні в складі мантійного плюму , Який зародився на кордоні ядра і нижньої мантії.

Глибину формування алмазів визначають на основі результатів вивчення хімічного складу асоціюють з ними мінералів ксенолитов і включень в цих мінералах. Для більшості мінеральних фаз на основі експериментів і термодинамічних розрахунків вже давно побудовані діаграми зміни складів при зміні тиску і температури (РТ-умови), і хімічний склад породообразующих мінералів точно вказує на конкретні РТ-умови, які характерні для певних глибин.

Фелікс Камінський (Felix Kaminsky) - один з найбільших в світі фахівців з геології, петрології і мінералогії алмазних родовищ, засновник канадської компанії KM Diamond Exploration Ltd. , І Річард Вірт ( Richard Wirth ) З відділу хімії і фізики природних матеріалів Німецького центру дослідження Землі (GFZ) в Потсдамі вивчили склад включень в ніжнемантійних алмазах з кімберлітів району Ріо-сорису. Результати дослідження опубліковані в журналі American Mineralogist.

Включення вивчалися за допомогою просвічує електронної мікроскопії (TEM), доповненої комплексом спектроскопических методів - енергодисперсійного рентгенівської спектроскопії (EDX) і спектроскопії характеристичних втрат енергії електронами (EELS). Авторами вперше в складі включень в алмазах були виявлені нітриди і карбонітриди заліза. Серед нітридів ідентифіковані трігональную Fe3N і орторомбические Fe2N, серед карбонитридов - трігональную Fe9 (N0,8C0,2) 4 в поєднанні з карбідом заліза Fe7C3, карбідом кремнію SiC, а також оксидами Cr-Mn-Fe і Mn-Fe. Виявлено широкий ряд перехідних різновидів карбонитридов від Fe5 (C, N) 3 до Fe23 (C, N) 6с ставленням Fe / (C, N) від 1,65 до 3,98 (рис. 3).

Мал. 3. Потрійна (трикоординатна) діаграма складів природних карбонитридов з включень в алмазах (червоний), а також (для порівняння) - з хромітітов (коричневий), мафічних (железомагнезіальних) порід (синій), метеоритів і місячного грунту (зелений). З діаграми видно, що азот характерний тільки для включень в алмазах. Маленький трикутник угорі ліворуч - місце наведеної схеми на загальній діаграмі складів системи С-N-метали. Зображення з обговорюваної статті в American Mineralogist

Одна із загадок хімії Землі, над якою ламають голову геохімік, - так званий «дефіцит азоту» в складі Землі. Азот - шостий за поширеністю хімічний елемент Сонячної системи після водню, гелію, кисню, вуглецю і неону, проте зміст його в хімічному балансі Землі по відношенню до кремнію (нормування по кремнію - загальний параметр оцінки поширеності елементів у Сонячній системі) на порядок нижче, ніж в інших планетах земної групи або в астероїдах. А кисню в Землі взагалі на 4 порядки більше, ніж азоту (мається на увазі Земля в цілому, а не тільки її атмосфера). У той же час на Сонці і взагалі в Сонячній системі кисню всього в 3-5 разів більше ніж азоту. Оксиди -соєдіненія з киснем - є основною складовою частиною кам'янистих твердих часток, з яких утворилася Земля, а з'єднання хімічно пасивного азоту присутні в них лише в незначній кількості.

Хоча гірські породи містять дуже мало азоту, а в атмосфері його майже 80%, більша частина земного азоту зосереджена все-таки в надрах. Це пояснюється тим, що атмосфера становить усього лише одну мільйонну частку всієї маси Землі. Ставлення вмісту азоту в Землі до його змісту в вуглистих хондрітах , Що відображають первинний склад протопланетної хмари , Знаходиться взагалі на рівні 0,11%. Як пояснення цього факту зазвичай наводиться гіпотеза про те, що на ранніх етапах історії Землі мала місце потужна азотна дегазація - азот виділився з надр планети і тепер перебуває в складі атмосфери. Однак навіть з урахуванням атмосферного азоту проблема «дефіциту азоту» зберігається. Щоб «покрити» цей «дефіцит», глибинні оболонки Землі повинні містити азоту на два порядки більше, ніж його містить сучасна атмосфера.

Сідерофільних геохимическая природа азоту (спорідненість до заліза), його виключно висока розчинність в металевих сплавах, а також той факт, що в залізних метеоритах підвищений вміст азоту, стали свого часу підставою для висунення гіпотези про те, що велика частина земної азоту досі міститься в ядрі . Автори вважають виявлення нітридів в самих глибинних різновидах алмазів прямим доказом обогащенности азотом підошви нижньої мантії і підтвердженням цієї гіпотези. Вони припускають, що основною геохімічний резервуар азоту Землі знаходиться в ядрі і нижньої мантії.

Для любителів точних обчислень наведемо цифри, якими оперують автори. При оціночному вмісті азоту в ядрі близько 5000 ppm (JF Adler and Q. Williams, 2005. A high-pressure X-ray diffraction study of iron nitrides: Implications for Earth's core ), Коефіцієнті фракціонування між ядром і мантією 40 (WF McDonough, 2014. Compositional Model for the Earth's Core ) І загальній масі ядра і мантії 1,972 × 1027 і 4,043 × 1027 грам відповідно (CF Yoder, 1995. Astrometric and geodetic properties of the Earth and the solar system ) Загальна маса азоту в ядрі повинна складати 9660 × 1021 грам, а в мантії - 550 × 1021 грам (94,97% і 4,97% від загальної кількості азоту відповідно). Тоді валовий вміст азоту в Землі складе 17,03 ppm, що з точністю ± 2% відповідає змісту азоту в хондритах.

Таким чином, виявлення нітридів і карбонитридов заліза в ніжнемантійних алмазах з кімберлітів Бразилії дозволяє зробити два дуже важливих висновки. По-перше, воно показує, що залізо в ядрі Землі може бути присутні не тільки в формі карбідів, але і в формі нітридів, а також у вигляді різних проміжних сполук - карбонитридов. По-друге, є важливим аргументом на користь гіпотези про ядро ​​як головному резервуарі земного азоту, яка дозволяє пояснити проблему «дефіциту азоту» в хімічному балансі Землі.

Джерело: Felix Kaminsky, Richard Wirth. Nitrides and carbonitrides from the lowermost mantle and their importance in the search for Earth's «lost» nitrogen // American Mineralogist. 2017. DOI: 10.2138 / am-2017-6101.

Нітриди і карбонітриди з нижньої мантії можуть допомогти знайти втрачений азот

Вивчивши склад включень в алмазах з нижньої мантії Землі, вчені вперше виявили в їх складі нітриди і карбонітриди заліза, швидше за все утворилися в процесі інфільтрації рідкого металу, що містить легкі елементи, з зовнішнього ядра в підошву нижньої мантії. Припущення про те, що ядро є головним резервуаром азоту, дозволяє зняти питання про «дефіциті азоту» в надрах Землі в порівнянні з іншими планетами Сонячної системи.

Для прямого вивчення геологам доступні лише зовнішні шари Землі (до 15 км від поверхні), куди можна «добратися» за допомогою буріння. до мантії - частини земної товщі, яка знаходиться між ядром і корою на глибинах від 30 до 2900 км, дістатися поки неможливо: занадто дорого і складно при сучасних технологіях. Найглибша в світі Кольська надглибока свердловина при плановій глибині 15000 м реально досягла позначки 12262 м від поверхні Землі і була зупинена у зв'язку з припиненням фінансування в 1995 році. Тому уявлення про склад мантії і відбуваються в ній ґрунтуються здебільшого на непрямих даних геофізики, космохімії, експериментальної мінералогії, петрології і геохімії.

Однак в історії Землі неодноразово відбувався геологічний процес, в ході якого на поверхню виносилося матеріал з великих глибин. Йдеться про освіту кімберлітових трубок (Рис. 2): вертикальних або близьких до вертикальних геологічних тіл, заповнених кимберлитом . Ця своєрідна гірська порода ультраосновного складу брекчіевідно (уламкового) будови містить кристали глибинних мінералів - алмазу , олівіну , піропу , ільменіту , хромдіопсиди , флогопита , а також ксеноліти (Уламки) мантійних порід. Саме кімберлітові трубки є головним первинним джерелом природних алмазів. На нашій планеті відомо більше 4000 кімберлітових трубок, алмазоносними з них є приблизно 3-4%. Кімберліту мають різний вік (як правило, це сотні мільйонів років), але територіально більшість з них приурочено до древніх платформ .

Рис. 2. Схема будови типової кимберлитовой трубки. Верхня частина (кратер) заповнена перевідкладеними пирокластами - уламковим матеріалом, викинутим під час вибуху. Звужуючись вниз, кратер переходить в лійкоподібну (діатремовую) частина, складену крупноуламковими породами - кімберлітових брекчиями. Сама нижня коренева частина трубок (підвідний канал) складена масивним кимберлитом. Підвідний канал часто розділяється на кілька частин, кожна з яких з глибиною переходить в Дайк - вертикально стоїть плітообразную структуру (тріщину, заповнену магматическим розплавом). Малюнок з сайту ru.wikipedia.org

Щоб атоми вуглецю «склалися» в кубічну кристалічну решітку і утворився алмаз, потрібні високі температури (1400-1900 ° С) і величезні тиску - не менше 4-5 ГПа (40000-50000 атмосфер), а також стійкий подток вуглецю або його сполук до місцях кристалізації алмазу. На поверхні Землі такі тиску можуть виникнути лише у виняткових випадках, наприклад, в місцях падіння великих метеоритів. Дійсно, в стародавніх і сучасних метеоритних кратерах знаходять Імпактний (Що виникли в момент удару) алмази. Однак більшість алмазів все-таки формуються глибоко в мантії Землі. Потім глибинна магма, що містить кристали алмазів, піднімається уздовж розломів, які виникають під час тектонічної активізації платформ. При цьому утворюються кімберлітові дайки . Коли тиск газів в кимберлитовой магмі перевершує зовнішній тиск, відбувається газовий прорив, що супроводжувався дробленням гірських порід. Утворилися порожнини (трубки) заповнюються уламками порід і кімберлітових розплавом.

Глибинні ксеноліти і мінерали кімберлітів є унікальними джерелами інформації про глибинні оболонках Землі. Не випадково кімберлітові трубки називають «природними надглибоких свердловин». Основний інтерес представляють навіть не самі глибинні мінерали, а газово-рідкі та тверді включення в них (рис. 1), що представляють собою фрагменти середовища, в якій відбувалося утворення цих мінералів. Алмази займають серед джерел інформації про мантії особливе місце (див. Алмази в перідотітах утворилися з рідких і газоподібних вуглеводнів перехідної зони мантії , «Елементи», 02.11.2017). Більшість алмазів відбуваються з глибин 150-200 км (верхня мантія), але є і такі, які відносяться до глибин перехідної зони мантії (410-660 км) і до нижньої мантії (понад 660 км). Кімберліту району Ріо-сорису в Бразилії - це унікальні глибинні освіти, що містять матеріал з глибин близько 1700 км, який був піднятий до поверхні в складі мантійного плюму , Який зародився на кордоні ядра і нижньої мантії.

Глибину формування алмазів визначають на основі результатів вивчення хімічного складу асоціюють з ними мінералів ксенолитов і включень в цих мінералах. Для більшості мінеральних фаз на основі експериментів і термодинамічних розрахунків вже давно побудовані діаграми зміни складів при зміні тиску і температури (РТ-умови), і хімічний склад породообразующих мінералів точно вказує на конкретні РТ-умови, які характерні для певних глибин.

Фелікс Камінський (Felix Kaminsky) - один з найбільших в світі фахівців з геології, петрології і мінералогії алмазних родовищ, засновник канадської компанії KM Diamond Exploration Ltd. , І Річард Вірт ( Richard Wirth ) З відділу хімії і фізики природних матеріалів Німецького центру дослідження Землі (GFZ) в Потсдамі вивчили склад включень в ніжнемантійних алмазах з кімберлітів району Ріо-сорису. Результати дослідження опубліковані в журналі American Mineralogist.

Включення вивчалися за допомогою просвічує електронної мікроскопії (TEM), доповненої комплексом спектроскопических методів - енергодисперсійного рентгенівської спектроскопії (EDX) і спектроскопії характеристичних втрат енергії електронами (EELS). Авторами вперше в складі включень в алмазах були виявлені нітриди і карбонітриди заліза. Серед нітридів ідентифіковані трігональную Fe3N і орторомбические Fe2N, серед карбонитридов - трігональную Fe9 (N0,8C0,2) 4 в поєднанні з карбідом заліза Fe7C3, карбідом кремнію SiC, а також оксидами Cr-Mn-Fe і Mn-Fe. Виявлено широкий ряд перехідних різновидів карбонитридов від Fe5 (C, N) 3 до Fe23 (C, N) 6с ставленням Fe / (C, N) від 1,65 до 3,98 (рис. 3).

Рис. 3. Потрійна (трикоординатна) діаграма складів природних карбонитридов з включень в алмазах (червоний), а також (для порівняння) - з хромітітов (коричневий), мафічних (железомагнезіальних) порід (синій), метеоритів і місячного грунту (зелений). З діаграми видно, що азот характерний тільки для включень в алмазах. Маленький трикутник угорі ліворуч - місце наведеної схеми на загальній діаграмі складів системи С-N-метали. Зображення з обговорюваної статті в American Mineralogist

Одна із загадок хімії Землі, над якою ламають голову геохімік, - так званий «дефіцит азоту» в складі Землі. Азот - шостий за поширеністю хімічний елемент Сонячної системи після водню, гелію, кисню, вуглецю і неону, проте зміст його в хімічному балансі Землі по відношенню до кремнію (нормування по кремнію - загальний параметр оцінки поширеності елементів у Сонячній системі) на порядок нижче, ніж в інших планетах земної групи або в астероїдах. А кисню в Землі взагалі на 4 порядки більше, ніж азоту (мається на увазі Земля в цілому, а не тільки її атмосфера). У той же час на Сонці і взагалі в Сонячній системі кисню всього в 3-5 разів більше ніж азоту. Оксиди -соєдіненія з киснем - є основною складовою частиною кам'янистих твердих часток, з яких утворилася Земля, а з'єднання хімічно пасивного азоту присутні в них лише в незначній кількості.

Хоча гірські породи містять дуже мало азоту, а в атмосфері його майже 80%, більша частина земного азоту зосереджена все-таки в надрах. Це пояснюється тим, що атмосфера становить усього лише одну мільйонну частку всієї маси Землі. Ставлення вмісту азоту в Землі до його змісту в вуглистих хондрітах , Що відображають первинний склад протопланетної хмари , Знаходиться взагалі на рівні 0,11%. Як пояснення цього факту зазвичай наводиться гіпотеза про те, що на ранніх етапах історії Землі мала місце потужна азотна дегазація - азот виділився з надр планети і тепер перебуває в складі атмосфери. Однак навіть з урахуванням атмосферного азоту проблема «дефіциту азоту» зберігається. Щоб «покрити» цей «дефіцит», глибинні оболонки Землі повинні містити азоту на два порядки більше, ніж його містить сучасна атмосфера.

Сідерофільних геохимическая природа азоту (спорідненість до заліза), його виключно висока розчинність в металевих сплавах, а також той факт, що в залізних метеоритах підвищений вміст азоту, стали свого часу підставою для висунення гіпотези про те, що велика частина земної азоту досі міститься в ядрі . Автори вважають виявлення нітридів в самих глибинних різновидах алмазів прямим доказом обогащенности азотом підошви нижньої мантії і підтвердженням цієї гіпотези. Вони припускають, що основною геохімічний резервуар азоту Землі знаходиться в ядрі і нижньої мантії.

Для любителів точних обчислень наведемо цифри, якими оперують автори. При оціночному вмісті азоту в ядрі близько 5000 ppm (JF Adler and Q. Williams, 2005. A high-pressure X-ray diffraction study of iron nitrides: Implications for Earth's core ), Коефіцієнті фракціонування між ядром і мантією 40 (WF McDonough, 2014. Compositional Model for the Earth's Core ) І загальній масі ядра і мантії 1,972 × 1027 і 4,043 × 1027 грам відповідно (CF Yoder, 1995. Astrometric and geodetic properties of the Earth and the solar system ) Загальна маса азоту в ядрі повинна складати 9660 × тисячі двадцять один грам, а в мантії - 550 × тисячі двадцять один грам (94,97% і 4,97% від загальної кількості азоту відповідно). Тоді валовий вміст азоту в Землі складе 17,03 ppm, що з точністю ± 2% відповідає змісту азоту в хондритах.

Таким чином, виявлення нітридів і карбонитридов заліза в ніжнемантійних алмазах з кімберлітів Бразилії дозволяє зробити два дуже важливих висновки. По-перше, воно показує, що залізо в ядрі Землі може бути присутні не тільки в формі карбідів, але і в формі нітридів, а також у вигляді різних проміжних сполук - карбонитридов. По-друге, є важливим аргументом на користь гіпотези про ядро ​​як головному резервуарі земного азоту, яка дозволяє пояснити проблему «дефіциту азоту» в хімічному балансі Землі.

Джерело: Felix Kaminsky, Richard Wirth. Nitrides and carbonitrides from the lowermost mantle and their importance in the search for Earth's «lost» nitrogen // American Mineralogist. 2017. DOI: 10.2138 / am-2017-6101.

Нітриди і карбонітриди з нижньої мантії можуть допомогти знайти втрачений азот

Вивчивши склад включень в алмазах з нижньої мантії Землі, вчені вперше виявили в їх складі нітриди і карбонітриди заліза, швидше за все утворилися в процесі інфільтрації рідкого металу, що містить легкі елементи, з зовнішнього ядра в підошву нижньої мантії. Припущення про те, що ядро є головним резервуаром азоту, дозволяє зняти питання про «дефіциті азоту» в надрах Землі в порівнянні з іншими планетами Сонячної системи.

Для прямого вивчення геологам доступні лише зовнішні шари Землі (до 15 км від поверхні), куди можна «добратися» за допомогою буріння. до мантії - частини земної товщі, яка знаходиться між ядром і корою на глибинах від 30 до 2900 км, дістатися поки неможливо: занадто дорого і складно при сучасних технологіях. Найглибша в світі Кольська надглибока свердловина при плановій глибині 15000 м реально досягла позначки 12262 м від поверхні Землі і була зупинена у зв'язку з припиненням фінансування в 1995 році. Тому уявлення про склад мантії і відбуваються в ній ґрунтуються здебільшого на непрямих даних геофізики, космохімії, експериментальної мінералогії, петрології і геохімії.

Однак в історії Землі неодноразово відбувався геологічний процес, в ході якого на поверхню виносилося матеріал з великих глибин. Йдеться про освіту кімберлітових трубок (Рис. 2): вертикальних або близьких до вертикальних геологічних тіл, заповнених кимберлитом . Ця своєрідна гірська порода ультраосновного складу брекчіевідно (уламкового) будови містить кристали глибинних мінералів - алмазу , олівіну , піропу , ільменіту , хромдіопсиди , флогопита , а також ксеноліти (Уламки) мантійних порід. Саме кімберлітові трубки є головним первинним джерелом природних алмазів. На нашій планеті відомо більше 4000 кімберлітових трубок, алмазоносними з них є приблизно 3-4%. Кімберліту мають різний вік (як правило, це сотні мільйонів років), але територіально більшість з них приурочено до древніх платформ .

Рис. 2. Схема будови типової кимберлитовой трубки. Верхня частина (кратер) заповнена перевідкладеними пирокластами - уламковим матеріалом, викинутим під час вибуху. Звужуючись вниз, кратер переходить в лійкоподібну (діатремовую) частина, складену крупноуламковими породами - кімберлітових брекчиями. Сама нижня коренева частина трубок (підвідний канал) складена масивним кимберлитом. Підвідний канал часто розділяється на кілька частин, кожна з яких з глибиною переходить в Дайк - вертикально стоїть плітообразную структуру (тріщину, заповнену магматическим розплавом). Малюнок з сайту ru.wikipedia.org

Щоб атоми вуглецю «склалися» в кубічну кристалічну решітку і утворився алмаз, потрібні високі температури (1400-1900 ° С) і величезні тиску - не менше 4-5 ГПа (40000-50000 атмосфер), а також стійкий подток вуглецю або його сполук до місцях кристалізації алмазу. На поверхні Землі такі тиску можуть виникнути лише у виняткових випадках, наприклад, в місцях падіння великих метеоритів. Дійсно, в стародавніх і сучасних метеоритних кратерах знаходять Імпактний (Що виникли в момент удару) алмази. Однак більшість алмазів все-таки формуються глибоко в мантії Землі. Потім глибинна магма, що містить кристали алмазів, піднімається уздовж розломів, які виникають під час тектонічної активізації платформ. При цьому утворюються кімберлітові дайки . Коли тиск газів в кимберлитовой магмі перевершує зовнішній тиск, відбувається газовий прорив, що супроводжувався дробленням гірських порід. Утворилися порожнини (трубки) заповнюються уламками порід і кімберлітових розплавом.

Глибинні ксеноліти і мінерали кімберлітів є унікальними джерелами інформації про глибинні оболонках Землі. Не випадково кімберлітові трубки називають «природними надглибоких свердловин». Основний інтерес представляють навіть не самі глибинні мінерали, а газово-рідкі та тверді включення в них (рис. 1), що представляють собою фрагменти середовища, в якій відбувалося утворення цих мінералів. Алмази займають серед джерел інформації про мантії особливе місце (див. Алмази в перідотітах утворилися з рідких і газоподібних вуглеводнів перехідної зони мантії , «Елементи», 02.11.2017). Більшість алмазів відбуваються з глибин 150-200 км (верхня мантія), але є і такі, які відносяться до глибин перехідної зони мантії (410-660 км) і до нижньої мантії (понад 660 км). Кімберліту району Ріо-сорису в Бразилії - це унікальні глибинні освіти, що містять матеріал з глибин близько 1700 км, який був піднятий до поверхні в складі мантійного плюму , Який зародився на кордоні ядра і нижньої мантії.

Глибину формування алмазів визначають на основі результатів вивчення хімічного складу асоціюють з ними мінералів ксенолитов і включень в цих мінералах. Для більшості мінеральних фаз на основі експериментів і термодинамічних розрахунків вже давно побудовані діаграми зміни складів при зміні тиску і температури (РТ-умови), і хімічний склад породообразующих мінералів точно вказує на конкретні РТ-умови, які характерні для певних глибин.

Фелікс Камінський (Felix Kaminsky) - один з найбільших в світі фахівців з геології, петрології і мінералогії алмазних родовищ, засновник канадської компанії KM Diamond Exploration Ltd. , І Річард Вірт ( Richard Wirth ) З відділу хімії і фізики природних матеріалів Німецького центру дослідження Землі (GFZ) в Потсдамі вивчили склад включень в ніжнемантійних алмазах з кімберлітів району Ріо-сорису. Результати дослідження опубліковані в журналі American Mineralogist.

Включення вивчалися за допомогою просвічує електронної мікроскопії (TEM), доповненої комплексом спектроскопических методів - енергодисперсійного рентгенівської спектроскопії (EDX) і спектроскопії характеристичних втрат енергії електронами (EELS). Авторами вперше в складі включень в алмазах були виявлені нітриди і карбонітриди заліза. Серед нітридів ідентифіковані трігональную Fe3N і орторомбические Fe2N, серед карбонитридов - трігональную Fe9 (N0,8C0,2) 4 в поєднанні з карбідом заліза Fe7C3, карбідом кремнію SiC, а також оксидами Cr-Mn-Fe і Mn-Fe. Виявлено широкий ряд перехідних різновидів карбонитридов від Fe5 (C, N) 3 до Fe23 (C, N) 6с ставленням Fe / (C, N) від 1,65 до 3,98 (рис. 3).

Рис. 3. Потрійна (трикоординатна) діаграма складів природних карбонитридов з включень в алмазах (червоний), а також (для порівняння) - з хромітітов (коричневий), мафічних (железомагнезіальних) порід (синій), метеоритів і місячного грунту (зелений). З діаграми видно, що азот характерний тільки для включень в алмазах. Маленький трикутник угорі ліворуч - місце наведеної схеми на загальній діаграмі складів системи С-N-метали. Зображення з обговорюваної статті в American Mineralogist

Одна із загадок хімії Землі, над якою ламають голову геохімік, - так званий «дефіцит азоту» в складі Землі. Азот - шостий за поширеністю хімічний елемент Сонячної системи після водню, гелію, кисню, вуглецю і неону, проте зміст його в хімічному балансі Землі по відношенню до кремнію (нормування по кремнію - загальний параметр оцінки поширеності елементів у Сонячній системі) на порядок нижче, ніж в інших планетах земної групи або в астероїдах. А кисню в Землі взагалі на 4 порядки більше, ніж азоту (мається на увазі Земля в цілому, а не тільки її атмосфера). У той же час на Сонці і взагалі в Сонячній системі кисню всього в 3-5 разів більше ніж азоту. Оксиди -соєдіненія з киснем - є основною складовою частиною кам'янистих твердих часток, з яких утворилася Земля, а з'єднання хімічно пасивного азоту присутні в них лише в незначній кількості.

Хоча гірські породи містять дуже мало азоту, а в атмосфері його майже 80%, більша частина земного азоту зосереджена все-таки в надрах. Це пояснюється тим, що атмосфера становить усього лише одну мільйонну частку всієї маси Землі. Ставлення вмісту азоту в Землі до його змісту в вуглистих хондрітах , Що відображають первинний склад протопланетної хмари , Знаходиться взагалі на рівні 0,11%. Як пояснення цього факту зазвичай наводиться гіпотеза про те, що на ранніх етапах історії Землі мала місце потужна азотна дегазація - азот виділився з надр планети і тепер перебуває в складі атмосфери. Однак навіть з урахуванням атмосферного азоту проблема «дефіциту азоту» зберігається. Щоб «покрити» цей «дефіцит», глибинні оболонки Землі повинні містити азоту на два порядки більше, ніж його містить сучасна атмосфера.

Сідерофільних геохимическая природа азоту (спорідненість до заліза), його виключно висока розчинність в металевих сплавах, а також той факт, що в залізних метеоритах підвищений вміст азоту, стали свого часу підставою для висунення гіпотези про те, що велика частина земної азоту досі міститься в ядрі . Автори вважають виявлення нітридів в самих глибинних різновидах алмазів прямим доказом обогащенности азотом підошви нижньої мантії і підтвердженням цієї гіпотези. Вони припускають, що основною геохімічний резервуар азоту Землі знаходиться в ядрі і нижньої мантії.

Для любителів точних обчислень наведемо цифри, якими оперують автори. При оціночному вмісті азоту в ядрі близько 5000 ppm (JF Adler and Q. Williams, 2005. A high-pressure X-ray diffraction study of iron nitrides: Implications for Earth's core ), Коефіцієнті фракціонування між ядром і мантією 40 (WF McDonough, 2014. Compositional Model for the Earth's Core ) І загальній масі ядра і мантії 1,972 × 1027 і 4,043 × 1027 грам відповідно (CF Yoder, 1995. Astrometric and geodetic properties of the Earth and the solar system ) Загальна маса азоту в ядрі повинна складати 9660 × тисячі двадцять один грам, а в мантії - 550 × тисячі двадцять один грам (94,97% і 4,97% від загальної кількості азоту відповідно). Тоді валовий вміст азоту в Землі складе 17,03 ppm, що з точністю ± 2% відповідає змісту азоту в хондритах.

Таким чином, виявлення нітридів і карбонитридов заліза в ніжнемантійних алмазах з кімберлітів Бразилії дозволяє зробити два дуже важливих висновки. По-перше, воно показує, що залізо в ядрі Землі може бути присутні не тільки в формі карбідів, але і в формі нітридів, а також у вигляді різних проміжних сполук - карбонитридов. По-друге, є важливим аргументом на користь гіпотези про ядро ​​як головному резервуарі земного азоту, яка дозволяє пояснити проблему «дефіциту азоту» в хімічному балансі Землі.

Джерело: Felix Kaminsky, Richard Wirth. Nitrides and carbonitrides from the lowermost mantle and their importance in the search for Earth's «lost» nitrogen // American Mineralogist. 2017. DOI: 10.2138 / am-2017-6101.