Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Гелий в алмазах доказал существование геохимического резервуара

Геохимики проанализировали алмазы, которые сформировались в переходной зоне между нижней и верхней мантией на глубине от 410 до 660 километров около 500 миллионов лет назад. Оказалось, что изотопный состав элементов во включениях в алмазы сильно меняется от образца к образцу. Причем, соотношение гелия-3 к гелию-4 больше в кристаллах, в которых общая концентрация гелия выше. По словам авторов, это доказывает существование древнего геохимического резервуара, который проникает в переходную зону и там перемешивается, приводя к неоднородности состава океанических базальтов. Исследование опубликовано в журнале Science.

Для понимания эволюции нашей планеты, важно знать, сохранились ли геохимические резервуары со времен ранней Земли, где они находятся и как взаимодействуют друг с другом. Разобраться в этом ученым помогают исследования изотопного состава элементов горных пород.

Соотношение изотопов может многое рассказать об истории минерала, его происхождении и возрасте. В процессе многочисленных фазовых переходов при формировании Земли, изотопы одного и того же элемента распределялись по-разному. Более легкие переходили в жидкую фазу, а тяжелые — в твердую.

К предположениям о структуре мантии в целом приводят исследования изотопного состава гелия. В основном этот газ на Земле образуется в результате альфа-распада радиоактивных элементов, но незначительная его часть попала с космической пылью во время формирования планеты. Такой древний газ обогащен изотопом гелия-3. Напрямую из базальтовых отложений соотношение изотопов этого элемента определить достаточно сложно из-за мешающих влияний пород минералов.

О природе зон нижней мантии судят по составу включений в относительно инертные к изменениям окружающих условий сублитосферные алмазы, которые формируются в переходной зоне между верхней и нижней мантией (слое Голицина) и выбрасываются при извержениях. Так как, образуясь, кристаллы захватывают в решетку субмикронные включения, а диффузия гелия в алмазах происходит очень медленно, по изотопному составу этого элемента в них можно сделать выводы о процессах в нижних слоях мантии.

Сюзетт Тиммерман (Suzette Timmerman) с коллегами из Австралийского национального университета изучили 24 алмаза (от 1,3 до 6 миллиметров) из кимберлитовых трубок и реки в районе Джуина в Бразилии. Определив по структуре и составу минеральных включений, что алмазы действительно имеют сублитосферную природу, авторы проанализировали жидкие включения в кристаллы на изотопный состав гелия и некоторых характерных металлов.

Исследователи счистили до 30 микрон верхнего слоя алмазов, чтобы исключить загрязнение гелием-4, который попал из окружающей алмазы среды (мантии или кимберлита), и обработали их смесью кислот при температуре 110 градусов Цельсия. С помощью масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой авторы получили данные об изотопном составе элементов алмазов.

Оказалось, что содержание легкого изотопа гелия-3 по отношению к тяжелому гелию-4 намного превышает наблюдаемое в океанических базальтах на Земле. Это доказывает, что ресурс гелия с высоким содержанием гелия-3 находится в мантии на глубине больше 410 километров под землей. Разница в соотношении изотопов стронция, свинца и углерода, от образца к образцу связана с тем, что слой Голицына, по всей видимости, очень неоднородный. Авторы полагают, что океанические базальты формировались из восходящих мантийных плюмов, которые и захватили с собой и перемешали часть материи из этого гетерогенного резервуара — переходной зоны.

Характеристический изотопный состав исследуемых алмазов подтверждает догадки ученых о том, что этот газ остался еще со времен, когда Земля и Луна столкнулись, или даже раньше.

Существуют и другие предположения о том, почему первичный гелий сохранился на Земле. Физики из Китая и США предположили, что в жестких условиях недр Земли гелий связался с диоксидом железа, который не позволил легкому газу улетучился с нашей планеты.

Алина Кротова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.