Некрасивые черные, красные, зеленые и коричневые пятнышки минералов и микроскопические карманы жидкости и газа, заключенные в алмазы, когда они образуются в Глубинной Земле, фиксируют элементарное окружение и реакции, происходящие внутри Земли на определенной глубине и в определенное время, раскрывая некоторые из них. самые сокровенные секреты планеты.
Например, водород и кислород, заключенные в алмазах в слое от 410 до 660 километров ниже поверхности Земли, раскрывают подземное существование океанов, в которых содержится H2O, масса которого намного превышает массу всей воды в каждом океане на поверхности.
Это огромное количество воды могло быть принесено на Землю с поверхности в результате движения огромных континентальных и океанических плит, которые, разделяясь и перемещаясь, сталкиваются друг с другом и перекрываются. Это субдукция плит также закапывает углерод с поверхности обратно в глубину – процесс, имеющий фундаментальное значение для естественного углеродного баланса Земли и, следовательно, для жизни.
Знание содержания воды в глубинах Земли имеет решающее значение для понимания разнообразия и поведения плавления материалов на разных глубинах планеты, создания и потоков углеводородов (e.грамм. нефть и природный газ) и другие материалы, а также глубокую подземную электропроводность планеты.
Датируя нетронутые фрагменты материала, заключенные внутри других сверхглубоких алмазных «включений», исследователи DCO смогли поставить приблизительную отметку времени начала тектоники плит – «одного из величайших нововведений на планете», по словам исполнительного директора DCO Роберт Хазен из Института науки Карнеги.
Это началось примерно 3 миллиарда лет назад, когда Земля была всего лишь 1.5 миллиардов лет.
Исследования алмазов резко ускорились благодаря созданию глобальной сети исследователей DCO и привели к некоторым из самых интригующих открытий и достижений программы.
Алмазы из самых глубоких глубин, часто маленькие и плохой чистоты, обычно не используются в качестве драгоценных камней Tiffany’s, но они удивительно сложны, надежны и бесценны в исследованиях. Включения предложили ученым из DCO образцы минералов, которые существуют только при чрезвычайно высоком подземном давлении, и предложили три способа образования алмазов.
В то время как до 90% проанализированных алмазов были составлены учеными-углеродом, предположительно находящимися в мантии, некоторые «относительно молодые» алмазы (возрастом до нескольких сотен миллионов лет), по-видимому, содержат углерод из некогда существовавших источников; Другими словами, они сделаны из углерода, возвращенного на Землю из поверхностного мира.
Алмазы также выявили недвусмысленные доказательства того, что некоторые углеводороды образуются на глубине в сотни миль, что выходит далеко за рамки живых клеток: абиотическая энергия.
Раскрытие тайны глубинного абиотического метана и других источников энергии помогает объяснить, как питается глубокая жизнь в форме микробов и бактерий, и подпитывает предположение о том, что жизнь зародилась и эволюционировала намного ниже (а не мигрировала вниз) от поверхностного мира.
Алмазы также позволили ученым из DCO смоделировать экстремальные условия недр Земли.
Ученые из сообщества специалистов по экстремальной физике и химии DCO использовали ячейки с алмазными наковальнями – инструмент, который может сильно зажать образец между кончиками двух алмазов, в сочетании с лазерами, которые нагревают сжатые кристаллы, – для имитации почти невообразимых экстремальных температур и давлений на глубинах Земли.
Используя различные передовые методы, они проанализировали сжатые образцы, идентифицировали 100 новых углеродсодержащих кристаллических структур и задокументировали их интригующие свойства и поведение.
Работа позволила понять, как атомы углерода в Глубинной Земле «находят друг друга», собираются и собираются, образуя алмазы и другой материал.
Разработка новых материалов; потенциальные стратегии улавливания и хранения углерода
Открытия и исследования DCO важны и применимы во многих отношениях, включая разработку новых материалов и потенциальных стратегий улавливания и хранения углерода.
Ученые DCO изучают, например, как можно сократить естественные временные рамки связывания углерода.
Выветривание и микробная жизнь внутри оманского офиолита Самаил – необычной, большой плиты, выдвинутой давно из верхней мантии Земли – предлагает учебное пособие по природным методам связывания углерода, знания, которые могут помочь компенсировать выбросы углерода, вызванные людьми.
В Исландии другой проект DCO по естественному связыванию, CarbFix, включает закачку углеродсодержащих флюидов в базальт и наблюдение за их преобразованием в твердые вещества.
Десятилетие открытий
Сотни ученых со всего мира встречаются в Вашингтоне, округ Колумбия, октябрь. 24–26, чтобы поделиться и отметить результаты обширной десятилетней обсерватории Deep Carbon Observatory – одного из крупнейших глобальных совместных исследований в области наук о Земле, когда-либо проводившихся.
С его Секретариатом в Научном институте Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия, и 50 миллионов долларов в качестве основной поддержки со стороны Альфреда П. Фонд Слоуна, многократно увеличенный за счет дополнительных инвестиций по всему миру, мультидисциплинарная группа из 1200 исследователей из 55 стран в течение 10 лет работала в четырех взаимосвязанных научных «сообществах» над исследованием фундаментальных механизмов Земли, в том числе:
Как углерод перемещается между недрами Земли, поверхностью и атмосферой
Откуда появился глубокий углерод Земли, сколько существует и в каких формах
Как зародилась жизнь, и ограничения – такие как температура и давление – глубинной микробной жизни Земли
Они справились с задачей исследования недр Земли несколькими способами, выпустив 1400 рецензируемых статей и выполнив 268 проектов, которые включали, например:
Изучение алмазов, вулканов и образцов керна, полученных при бурении на суше и на море
Проведение лабораторных экспериментов для имитации экстремальных температур и давлений внутри Земли, а также посредством теоретического моделирования эволюции и движения углерода в глубоком времени, а также
Разработка новых высокотехнологичных инструментов
Ученые DCO проводили полевые измерения в отдаленных и негостеприимных регионах мира: на дне океана, на вершинах действующих вулканов и в пустынях Ближнего Востока.
Там, где отсутствовали приборы и модели, ученые DCO разработали новые инструменты и модели для решения этой задачи. На протяжении этих исследований DCO инвестировал в следующее поколение исследователей глубокого углерода, студентов и ученых, начинающих карьеру, которые продолжат традицию исследований и открытий на десятилетия вперед.
Ключевые открытия в рамках 10-летней программы Deep Carbon Observatory
Помимо выводов исследования алмазов, приведенных выше, основные открытия программы включают в себя:
Глубинная биосфера – одна из крупнейших экосистем Земли
Жизнь в глубоких недрах содержит от 15000 до 23000 мегатонн (миллионов метрических тонн) углерода, что примерно в 250-400 раз больше, чем масса углерода всех людей. Огромная глубинная биосфера Земли занимает пространство почти в два раза больше, чем все океаны мира.
Ученые DCO исследовали, как микробы питаются "абиотическим" метаном и другими источниками энергии – топливом, которое не было получено из биотической жизни, описанной выше.
Если микробы могут зарабатывать себе на жизнь, используя химическую энергию из горных пород в глубоких недрах Земли, то это может быть справедливо и для других планетных тел.
Эти знания о типах сред, способных поддерживать жизнь, особенно тех, в которых энергия ограничена, могут направлять поиск жизни на других планетах. Например, во внешней солнечной системе солнечная энергия недостаточна, как и в подповерхностной среде Земли.
Исследователи DCO также обнаружили самую глубокую, низкую и самую долгоживущую микробную экосистему под дном, когда-либо зарегистрированную, и изменили наше понимание границ жизни при экстремальных давлениях, температуре и глубине.
Камни и жидкости в земной коре дают ключ к разгадке происхождения жизни на этой планете и к тому, где искать жизнь на других
Ученые DCO обнаружили аминокислоты и сложные органические молекулы в породах на морском дне. Эти молекулы, строительные блоки жизни, были сформированы в результате абиотического синтеза и никогда ранее не наблюдались в геологической летописи.
Они также обнаружили карманы древних соленых жидкостей, богатых водородом, метаном и гелием, глубиной на много километров, что свидетельствует о существовании ранних, защищенных сред, способных укрывать жизнь.
Абиотический метан образуется в коре и мантии Земли
Когда вода встречает вездесущий минерал оливин под давлением, порода реагирует с атомами кислорода из H2O и превращается в другой минерал, змеевик, который имеет чешуйчатый, зеленовато-коричневый, похожий на кожу змеи вид.
Этот процесс «серпентинизации» приводит к образованию «абиотического» метана во многих различных средах на Земле. Ученые DCO разработали и использовали сложное аналитическое оборудование, чтобы различать биотическое (полученное из древних растений и животных) и абиотическое образование метана.
Полевые и лабораторные исследования DCO горных пород верхней мантии документально подтверждают новый процесс серпентинизации под высоким давлением, в результате которого образуется абиотический метан и другие формы углеводородов.
Образование метана и углеводородов в результате этих геологических абиотических процессов обеспечивает топливо и поддержку микробной жизни.
СО2 в атмосфере был относительно стабильным на протяжении многих веков, но время от времени происходили огромные катастрофические выбросы углерода
Ученые DCO реконструировали глубокий углеродный цикл Земли на протяжении веков до наших дней. Эта новая, более полная картина поглощения и дегазации углерода на планете показывает удивительно стабильную систему на протяжении сотен миллионов лет, за некоторыми примечательными эпизодическими исключениями.
Распад континентов и связанная с ними вулканическая активность являются главными причинами естественной дегазации планет. Ученые DCO дополнили эту картину, исследуя редкие эпизоды массивных извержений вулканов и столкновений с астероидами, чтобы узнать, как Земля и ее климат реагируют на такие катастрофические выбросы углерода.
Моделирование тектоники плит с использованием новой платформы DCO GPlates позволило реконструировать углеродный цикл Земли через геологическое время.
Большая часть углерода, выделяемого из глубин Земли, просачивается из трещин и разломов, не связанных с извержениями
Вулканы и вулканические регионы выделяют углекислый газ (CO2) в систему океан / атмосфера со скоростью 280-360 мегатонн в год.
Сюда входят как выбросы во время извержений вулканов, так и дегазация CO2 из диффузных трещин и разломов в вулканических регионах по всему миру и в системе срединно-океанических хребтов.
Деятельность человека, такая как сжигание ископаемого топлива, вызывает примерно в 100 раз больше выбросов CO2, чем все источники вулканического и тектонического регионов вместе взятые.
Изменение соотношения CO2 и SO2, выбрасываемых вулканами, может помочь в прогнозировании извержений
Объем выделяемого CO2 относительно SO2 увеличивается для некоторых вулканов за дни или недели до извержения, что повышает возможность улучшения прогнозов и снижения опасности для человека.
Исследователи DCO измерили выбросы вулканов по всему миру. Например, гора Этна в Италии, один из самых активных вулканов Земли, обычно за две недели до большого извержения выбрасывала в 5-8 раз больше CO2, чем обычно.
Жидкости перемещаются и трансформируют углерод глубоко внутри Земли
Эксперименты и новая теоретическая работа привели к революционной новой модели DCO воды в глубинах Земли и открытию того, что алмазы могут легко образовываться в результате взаимодействий вода-порода с участием органического и неорганического углерода.
Эта модель предсказала изменение химического состава воды, обнаруженной во флюидных включениях в алмазах, и дает новое представление о количествах углерода и азота, доступных для возвращения в атмосферу Земли в течение длительного времени.
Ученые DCO также обнаружили, что растворимость углеродсодержащих минералов, включая карбонаты, графит и алмаз, намного выше, чем считалось ранее в системах вода-порода в мантии.
За четыре года обнаружен 31 новый углеродсодержащий минерал
После каталогизации известных углеродсодержащих минералов на поверхности Земли, их состава и местонахождения, исследователи DCO обнаружили статистические взаимосвязи между местонахождением минералов и частотой их появления. С помощью этой модели они предсказали 145 видов, которые еще предстоит открыть, и в 2015 году предложили гражданским ученым помочь их найти.
Из 31 нового для науки минерала, обнаруженного во время Carbon Mineral Challenge, два были предсказаны, включая триазолит, обнаруженный в Чили и предположительно полученный частично из гуано бакланов. Фото ниже.
Тем временем ученые во главе с исполнительным директором DCO Робертом Хазеном создали совершенно новую систему классификации минералов.
Путем экспериментов и наблюдений ученые DCO открыли новые формы углерода глубоко в мантии Земли, пролив новый свет на углеродную «емкость» глубокой мантии и на роль субдукции в рециркуляции поверхностного углерода обратно в недра Земли.
Исследования также проливают новый свет на записи основных изменений в истории нашей планеты, таких как повышение содержания кислорода, а также увеличение и уменьшение количества суперконтинентов.
Две трети углерода Земли может находиться в богатом железом ядре
Исследования DCO показывают, что две трети или более углерода Земли могут быть изолированы в ядре в виде карбида железа.
Этот «скрытый углерод» приближает общее содержание углерода на Земле к тому, что наблюдается на Солнце, и помогает нам понять происхождение углерода Земли из небесного материала.