Китайские геохимики показали, что при падении метеоритов алмазы могут образоваться напрямую из карбонатных минералов даже при отсутствии в среде других восстановителей. В этом случае процесс ударного сжатия приводит к получению алмаза за счет окисления содержащихся в минералах ионов двухвалентного железа. Необходимые для реакции условия также наблюдаются в нижних слоях мантии, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Давление, которое необходимо для образования алмазов в естественных условиях — около 50 тысяч атмосфер, при нем алмаз становится более устойчивым чем графит. Образование алмазов в естественных условиях на Земле могло происходить либо в статических условиях на глубине больше 150 километров, либо при ударном сжатии, которое происходит при падении метеоритов, когда и температура, и давления и температура резко увеличиваются за очень короткое время. Источников углерода для алмаза в этом случае может быть несколько: обычно это либо графит, либо высокотемпературные углеродсодержащие расплавы. Образование же алмаза напрямую из карбонатных минералов значительно менее вероятно, потому что для этого необходимо присутствие в зоне реакции большого количества внешних восстановителей.

Геохимики из Китая и США под руководством Хо-Квана Мао (Ho-kwang Mao) из Центра научных исследований и технологий высокого давления в Шанхае предположили, что при тех давлениях и и температурах, которые могут возникают при падении метеорита, иногда образование алмаза из карбонатных минералов возможно даже при отсутствии внешних восстановителей. Это предположение исследователи экспериментально подтвердили на примере анкерита — карбонатного минерала, содержащего магний, кальций и железо, найденного в кратере Сюянь. Характерная особенность этого минерала — наличие в нем ионов железа(2), которое и могло служить восстановителем (но не внешним, а внутренним) при формировании алмаза.

По оценкам авторов, сделанным на основе уже проведенных ранее исследований кратера Сюянь, при падении метеорита на поверхность Земли температура в области столкновения поднялась примерно до 800 — 900 градусов Цельсия, а давление в этот момент составило от 25 до 45 гигапаскалей. Такие же условия ученые смоделировали в лабораторных условиях и проверили, что при подобном ударном сжатии будет происходить с анкеритом, который среди прочих минералов, содержался в образцах найденной в кратере метаморфической горной породы. Фазовый состав и кристаллическую структуру минерала после воздействия на него ударной волны с повышенной температурой ученые изучили с помощью методов рамановской спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии. 

Микрофотографии анкерита после ударного сжатия, полученные с помощью просвечивающей растровой электронной микроскопии. Красным цветом обведены нановключения алмазов. M. Chen et al./ PNAS, 2018

Оказалось, что действительно подобные условия приводят к восстановлению углерода железом(2) и образованию в кальцитной матрице включений алмаза размером от 2 до 5 нанометров. Железо при этом окисляется до Fe(3) и образует ферритный минерал. Доля алмаза в минерале после ударного сжатия составила 3 процента. При этом авторы работы отмечают, что это содержание могло быть и больше при увеличении времени воздействия.

Авторы отмечают, что возможность образования алмазов из карбонатов без дополнительных восстановителей означает, что алмазы могут образовываться в нижних слоях мантии. Для них как раз характерны подобные условия: большое количество карбонатных минералов, нужные давление и температура и отсутствие дополнительных восстановителей. Поэтому заметное содержание алмазов, возможно, даже в качестве основного углеродсодержащего компонента, может быть характерно и для твердых слоев земной мантии. 

Отметим, что при ударном сжатии во время падения метеорита может происходить образование не только алмазов, но и еще одной, даже более твердой, формы углерода — лонсдейлита. При этом возможность образования и алмаза и лонсдейлита в условиях, возникающих при столкновении метеорита с поверхностью Земли, была подтверждена экспериментально.

Автор: Александр Дубов