Het begrijpen van de wereldwijde koolstofcyclus biedt wetenschappers essentiële aanwijzingen over de bewoonbaarheid van de planeet.

Het is de reden waarom de aarde een mild stabiel klimaat heeft en een atmosfeer met weinig koolstofdioxide in vergelijking met die van Venus, bijvoorbeeld, die zich in een op hol geslagen broeikastoestand bevindt met hoge oppervlaktetemperaturen en een dikke koolstofdioxide-atmosfeer.

Een groot verschil tussen de aarde en Venus is het bestaan ​​van actieve platentektoniek op aarde, die onze omgeving uniek maken binnen ons zonnestelsel.

Maar de sfeer, oceanen, en de aardkorst zijn slechts een deel van het verhaal. De mantel, die 75% van het volume van de aarde vertegenwoordigt, bevat mogelijk meer koolstof dan alle andere reservoirs samen.

Koolstof – een van de essentiële bouwstenen van organisch leven – wordt door subductie in het binnenste van de aarde gebracht, waar het het smeltpunt van de vaste mantel drastisch verlaagt, het vormen van koolzuurhoudende smelten (koolstofrijke gesmolten gesteenten) in de ondiepe mantel, oppervlaktevulkanen van brandstof voorzien. Carbonaatmineralen kunnen ook veel dieper de aarde in worden getransporteerd, het bereiken van de onderste mantel, maar wat er daarna gebeurt, is onzeker.

Het beantwoorden van die vraag gaat gepaard met uitdagingen - de omstandigheden diep in de aarde zijn extreem en monsters van de mantel zijn zeldzaam. De oplossing is om die omstandigheden in het laboratorium na te bootsen met behulp van geavanceerde technologie.

Nu heeft een team van experimentele geowetenschappers van de Universiteit van Bristol precies dat gedaan. hun resultaten, open access gepubliceerd in Brieven over aarde en planetaire wetenschap , ontdek nieuwe aanwijzingen over wat er gebeurt met carbonaatmineralen wanneer ze in de mantel worden getransporteerd via subductie van de oceanische korst (waar een van de aardse tektonische platen onder een andere schuift).

Hun bevindingen hebben een barrière blootgelegd voor subductie van carbonaat voorbij diepten van ongeveer 1, 000km, waar het reageert met silica in de oceanische korst om diamanten te vormen die over geologische tijdschalen in de diepe aarde worden opgeslagen.

Dr. James Drewitt van de School of Earth Sciences legt uit:"Blijven carbonaatmineralen stabiel door de onderste mantel van de aarde, en zo niet, welke druk-/temperatuurveranderingen zijn er nodig om reacties tussen de mineralen op gang te brengen en hoe zien ze eruit? Dit zijn de vragen waarop we de antwoorden wilden vinden - en de enige manier om die antwoorden te krijgen was door de omstandigheden van het binnenste van de aarde te reproduceren."

Dr. Drewitt en zijn team hebben synthetische carbonaatgesteenten onderworpen aan zeer hoge drukken en temperaturen vergelijkbaar met diepe aardse omstandigheden tot 90 GPa (ongeveer 900, 000 atmosfeer) en 2000 graden C met behulp van een laserverwarmde diamanten aambeeldcel. Ze ontdekten dat carbonaat stabiel blijft tot dieptes van 1, 000-1, 300km, bijna halverwege de kern.

Onder deze omstandigheden reageert carbonaat met omringende silica om een ​​mineraal te vormen dat bekend staat als bridgmanite, die het grootste deel van de aardmantel vormt. De koolstof die vrijkomt bij deze reactie is in de vorm van vast koolstofdioxide. Naarmate de hete omringende mantel uiteindelijk de verzonken plaat opwarmt, deze vaste koolstofdioxide breekt af om superdiepe diamanten te vormen.

Dr. Drewitt voegt toe:"Uiteindelijk zouden de superdiepe diamanten in opwellende mantelpluimen naar de oppervlakte kunnen worden teruggebracht, en dit proces zou een van de bronnen kunnen zijn van superdiepe diamanten die we aan de oppervlakte vinden en die het enige directe bewijs leveren dat we hebben van de samenstelling van de diepe aarde.

"Dit is opwindend omdat de diepste mens ooit heeft kunnen boren ongeveer 12 km is, minder dan de helft van de diepte van de aardkorst. Dit verbleekt in vergelijking met de enorme schaal van de aardmantel, die zich uitstrekt tot bijna 3, 000 km diepte."

Het team gebruikte een diamanten aambeeldcel om drukken te genereren die gelijk zijn aan die op deze diepten, het laden van monsters onder een microscoop in een drukkamer geboord uit een metalen pakking die vervolgens wordt samengeperst tussen de edelsteenkwaliteit, briljant geslepen diamanten aambeelden. De kristalstructuur van die monsters werd vervolgens geanalyseerd met behulp van röntgendiffractie in de Britse synchrotron-faciliteit in Oxfordshire.

Dr. Drewitt is nu van plan om deze experimenten met hoge druk en hoge temperatuur, samen met geavanceerde computersimulatietechnieken, toe te passen op andere mineralen en materialen, toe te voegen:"Naast koolstof, er is potentieel meerdere oceanen aan water dat diep in de mantel wordt getransporteerd, en wanneer dit wordt vrijgegeven, zal dit het smelten van de bovenste en onderste aardmantel veroorzaken.

"Echter, we kunnen de huidige modellen van het dynamische gedrag van dit waterrijke gesmolten gesteente niet adequaat testen of begrijpen omdat we hun samenstelling of hun fysieke eigenschappen niet kennen. De experimenten onder extreme omstandigheden en geavanceerde computersimulaties waar we momenteel aan werken, zullen helpen om deze problemen op te lossen."