Het onderzoeken van de omstandigheden in het binnenste van de aarde is niet alleen cruciaal om ons een kijkje te geven in de geschiedenis van de aarde, maar ook om de huidige omgeving en haar toekomst te begrijpen.

Deze studie, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , biedt een verklaring voor de afdaling van koolstof in de diepe aarde. "De stabiliteitsgebieden van carbonaten zijn de sleutel tot het begrijpen van de diepe koolstofcyclus en de rol van de diepe aarde in de wereldwijde koolstofcyclus." zegt Leonid Dubrovinsky, van de Universiteit van Bayreuth.

Dit is waar de ESRF, de Europese Synchrotron in Grenoble, Frankrijk. komt binnen. "De intense röntgenstralen van de ESRF stellen ons in staat om toegang te krijgen tot de extreme omstandigheden in de hele aardmantel." onderstreept Valerio Cerantola, hoofdauteur, voormalig promovendus aan de Universiteit van Bayreuth en nu postdoctoraal wetenschapper aan de ESRF.

In de laatste eeuw, de snelle toename van de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer en de waargenomen klimaatverandering hebben de aandacht van wetenschappers steeds meer gericht op de koolstofcyclus en de evolutie ervan aan het aardoppervlak. De koolstofcyclus strekt zich ook uit onder het oppervlak:recente schattingen lokaliseren tot 90% van het koolstofbudget van de aarde in de mantel en kern van de aarde. Vanwege de dynamische aard van tektonische plaatbewegingen, convectie en subductie, er is een constante recycling van koolstof tussen het aardoppervlak en het diepe binnenste.

In dit onderzoek, het onderzoeksteam richtte zich op carbonaatfasen, die een van de belangrijkste koolstofhoudende mineralen in de diepe mantel zijn. Carbonaten zijn een groep mineralen die het carbonaation (CO32-) en een metaal bevatten, zoals ijzer of magnesium. De wetenschappers bestudeerden het gedrag van een zuiver ijzercarbonaat, FeCO3 (sideriet genoemd), bij extreme temperatuur- en drukomstandigheden die de hele aardmantel bedekken, wat betekent meer dan 2500 K en 100 GPa, wat overeenkomt met ongeveer een miljoen keer de atmosferische druk.

"Dit ijzercarbonaat is van bijzonder belang vanwege zijn stabiliteit bij lagere mantelomstandigheden als gevolg van spinovergang. Bovendien is de kristalchemie van de hogedrukcarbonaten dramatisch anders dan die bij omgevingscondities." legt Elena Bykova uit, van de Universiteit van Bayreuth.

Om de stabiliteit van FeCO3 te bestuderen, het onderzoeksteam voerde experimenten uit met hoge druk en hoge temperaturen bij drie ESRF-bundellijnen:ID27, ID18 en ID09a (nu ID15b). "De combinatie van de meerdere technieken gaf ons unieke datasets waarmee we uiteindelijk nieuwe C-dragers in de diepe aarde konden ontdekken en het mechanisme achter hun vorming konden laten zien", zegt Cerantola. Een experimentele run werd uitgevoerd bij bundellijn 13ID-D bij APS.

Bij verwarming van FeCO3 tot aardwarmtetemperaturen bij drukken tot ongeveer 50 GPa, FeCO3 dissocieerde gedeeltelijk en vormde verschillende ijzeroxiden. Bij hogere drukken, boven ~75 GPa, de wetenschappers ontdekten twee nieuwe verbindingen - tetrairon (III) orthocarbonaat, Fe43+C3O12, en di-ijzer (II) di-ijzer (III) tetracarbonaat, Fe22+Fe23+C4O13 (Figuur 1). ?

"Er waren enkele theoretische voorspellingen, maar tot nu toe was experimentele informatie over structuren van hogedrukcarbonaten te beperkt (en zelfs controversieel) om te speculeren over carbonaatkristalchemie. Onze gegevens laten zien dat hoewel de kristalstructuur van Fe22+Fe23+C4O13 in silicaten kan worden gevonden, er worden in de natuur geen analogen van Fe43+C3O12 gevonden." onderstreept Bykova.

Ze kwamen er ook achter dat een fase, het tetracarbonaat Fe4C4O13, vertoont een ongekende structurele stabiliteit en behoudt zijn structuur zelfs bij drukken langs de gehele geothermie tot een diepte van ten minste 2500 km, die dicht bij de grens tussen de mantel en de kern ligt. Het toonde dus aan dat zelf-oxidatie-reductiereacties carbonaten in de onderste mantel van de aarde kunnen behouden? (Figuur 1, a en b). "De studie toont het belang aan van oxidatie- en reductie (redox) reacties in de diepe koolstofcyclus, die onvermijdelijk verbonden zijn met andere vluchtige cycli zoals zuurstof." onderstreept Catherine McCammon, van de Universiteit van Bayreuth.