De hoge temperaturen en drukken van de aardmantel smeden koolstofrijke mineralen, bekend als carbonaten, tot diamant. Maar er is minder bekend over het lot van carbonaten die nog dieper onder de grond reizen - diepten waarvan nog nooit een monster is teruggevonden.

Nutsvoorzieningen, Susannah Dorfman van de Michigan State University en haar team vinden een antwoord met laboratoriuminstrumenten die deze extreme omstandigheden nabootsen.

"Waar we in geïnteresseerd waren, wanneer is koolstof geen diamant?" voegde Dorfman toe. In een recent gepubliceerd artikel in Natuurcommunicatie , wetenschappers in Dorfman's Experimental Mineralogy Lab bij MSU herdefinieerden de omstandigheden waaronder carbonaten in de onderste aardmantel kunnen voorkomen, ons begrip van de diepe koolstofcyclus en de evolutie van de aarde uitbreiden.

"De circulatie van koolstof en mineralen van het aardoppervlak via subductie naar de basis van de aardmantel gebeurt al miljarden jaren, " zei Dorfman, universitair docent bij de afdeling Aard- en Milieuwetenschappen, of EES, in het College of Natural Science en co-auteur van het papier. "Ons laboratorium vraagt, 'Hoe kunnen we experimenten gebruiken om te voorspellen hoe het eruit ziet en het chemisch te volgen?'"

Tijdens subductie, oppervlaktecarbonaten - denk aan kalksteen en koraalskeletten - liften mee op koude rotsplaten die onder de aardkorst duiken door tektonische beweging die wordt gevoed door de hitte van de mantel. Sommige carbonaten smelten en worden door vulkanen terug in de atmosfeer gespuwd. Sommige reizen verder naar beneden en worden tot diamanten geperst.

Maar sommige carbonaten maken het nog dieper, richting de grens tussen de mantel en de kern van de planeet bijna 1, 800 mijl onder het oppervlak. Het team van Dorfman was geïnteresseerd in hun lot. Uit eerder onderzoek van het team bleek dat sommige carbonaten inderdaad kunnen ontsnappen aan het smelten of veranderen in diamanten in een hete, zuurstofarme omgeving zoals de kern-mantel grens, maar niemand wist tot nu toe welke vorm ze in een echte rots zouden aannemen.

In de studie, Dorfman en co-auteur Mingda Lv, een vijfdejaars EES-promovendus, voerde zeer complexe experimenten uit om mantelgesteente te synthetiseren en het lot van die diep ondergedompelde carbonaten voor de eerste keer te verlichten.

"Voor dit project we wilden weten hoe carbonaat naast de meeste mantelsilicaten zou bestaan ​​wanneer het werd onderworpen aan de lagere mantel, " zei Lv. "We hebben de experimenten ontworpen om de druk- en temperatuuromstandigheden op deze mineralen uit te breiden tot hoge regimes, het simuleren van omstandigheden aan de kern-mantelgrens van de aarde."

Hun experimenten vereisten een apparaat gemaakt van materiaal met de hoogste druktolerantie van alle stoffen op aarde - diamanten.

"De diamanten aambeeldcel, ook al is het iets dat je in je hand kunt houden, geeft ons de allerhoogste druk in elk laboratorium zonder explosies te gebruiken, "Zei Dorfman. "Alles wat we weten over wat er in het centrum van planeten gebeurt, is afhankelijk van dit apparaat."

Dorfman en Lv hebben met succes dunne carbonaat- en silicaatschijven geassembleerd als een sandwich tussen de twee diamanten van de diamanten aambeeldcel. Vervolgens, ze persten de schijven samen als een minerale panini en gebruikten krachtige lasers om ze te verhitten tot hoge temperaturen tot wel 4, 500 F.

Het resultaat was iets wat niemand voor mogelijk had gehouden, een gesynthetiseerde vorm van calciumcarbonaatgesteente onder hoge druk die zou kunnen bestaan ​​​​in lagere mantelomstandigheden.

"Vóór deze studie, het idee was dat je nooit calciumcarbonaat in de diepe aarde zou moeten hebben, maar alleen in een ondiepe omgeving waar het niet tot grote diepten is gekomen, " zei Dorfman. "Onze experimenten tonen aan dat in de richting van de basis van de mantel, de chemische reactie verandert van richting en verwisselt mineralen zoals partners in square dancing - het magnesium en calcium wisselen hun carbonaat- en silicaatpartners die calciumcarbonaat en magnesiumcarbonaat produceren."

De grootte van hun nieuw gesynthetiseerde steen was slechts de breedte van een mensenhaar, en de individuele kristallen waaruit het gesteente bestond waren tot 1, 000 keer kleiner. Om tussen de diamanten te lezen, Dorfman en Lv hadden het scherpste mes en het helderste licht nodig dat ze konden vinden.

Ze gebruikten de extreem krachtige deeltjesversnellertechnologie in het Argonne National Lab in Illinois om röntgenlicht tot een klein punt te concentreren en te verlichten wat ze hadden gecreëerd. Vervolgens, met de hulp van medewerkers van het Institute of Earth Physics van Parijs en het Centre for Materials Characterization van de University of Michigan, ze gebruikten ionenstralen om het nieuwe gesteente in dwarsdoorsneden te snijden.

Eindelijk, gebruikmakend van de modernste elektronenmicroscopietechnieken bij MSU's Center for Advanced Microscopy, ze hebben met succes de elementaire distributie van hun teruggevonden monsters gekarakteriseerd.

"Zonder deze laboratoria, we zouden nooit in staat zijn geweest om direct te observeren wat er gaande is in onze experimenten, " zei Lv. "Onze samenwerking met deze faciliteiten is een hoogtepunt van de studie."

"We weten dat een overgrote meerderheid van de koolstof op aarde niet in de atmosfeer zit, het zit in het interieur, maar onze gissing hoeveel en waar hangt vooral af van metingen van chemische reacties, " Dorfman toegevoegd. "Het werk van Mingda Lv laat zien dat calciumcarbonaat stabiel kan zijn in mantelomstandigheden en biedt een nieuw mechanisme om rekening mee te houden wanneer we modellen maken van de koolstofcyclus in de aarde."