Laboratuvar Deneyleri, Elmas Oluşum Süreçlerine Işık Tutuyor | BilimFili.com
Yerbilim 24 Şubat 2019
Drewitt et al.
Küresel karbon çevrimini anlamak, gezegenin yaşanabilirliği konusunda bilimcilere çok önemli ipuçları sağlıyor. Yüksek yüzey sıcaklıkları ve atmosferdeki kalın karbon dioksitle kontrolden çıkmış sera durumundaki Venüs'ün iklimine kıyasla Dünya'nın ılıman durağan bir iklime ve atmosferde düşük karbon dioksite sahip olmasının nedeni de budur. Dünya ile Venüs arasındaki başlıca farklardan biri, Dünya'da aktif levha tektoniği olmasıdır; bu da yaşadığımız ortamı güneş sistemi içinde benzersiz kılar. Ama atmosfer, okyanuslar ve Dünya'nın kabuğu, öykünün sadece bir kısmını meydana getirir. Dünya'nın hacminin %75'ini temsil eden manto, potansiyel olarak tüm diğer rezervuarların toplamından daha fazla karbon tutabilir.
Organik yaşamın temel yapıtaşlarından biri olan karbon, Dünya'nın iç kısımlarına batarak gider ve orada katı mantonun erime noktasını ciddi şekilde düşürüp, sığ mantoda karbonatlı eriyikler (karbon zengini erimiş kayalar) oluşturur ve yüzey yanardağlarına yakıt sağlar. Karbonat mineralleri ayrıca Dünya'nın çok daha derinlerine de ulaştırılabilir; aşağı mantoya kadar inebilir ama sonra ne olacağı belirsiz. Soruyu yanıtlamak, çok sayıda güçlük barındırıyor; Dünya'nın derinliklerindeki koşullar ekstrem ve manto örnekleri çok ender. Çözüm, ileri teknoloji kullanarak, koşulları laboratuvar ortamında yeniden oluşturmak olabilir.
Bristol Üniversitesi bilimcileri bir süre önce tam olarak bunu gerçekleştirdi. Earth and Planetary Science Letters'da yayımlanan çalışma sonuçları, okyanussal kabuğun batmasıyla (Dünya'nın tektonik levhalarının birinin diğerinin altına kaymasıyla) mantoya indiklerinde karbonatlı minerallere ne olduğuna ilişkin ipuçları veriyor. Buna göre, yaklaşık 1.000 km üzerindeki derinliklerde, karbonatın batmasına bir engel bulunuyor. Orada okyanussal kabuktaki silika ile tepkimeye giren karbonat, yerbilimsel zaman ölçekleri boyunca Dünya'nın derinliklerinde depolanan elmasları oluşturuyor.
Aşağı manto basınçlarında MgO–SiO2–CO2 (MSC) sistemindeki faz ilişkilerini gösteren basınç-sıcaklık diyagramı. Siyah kesiksiz çizgiller şeklindeki tepkime sınırları Maeda et al. (2017) çalışmasından ve gri sınırlar Seto et al. (2008) çalışmasındandır. Kısa tireli çizgi, Litasov et al. (2011) tarafından belirlendiği şekliyle C–O sistemindeki CO2 parçalanma tepkimesidir. Uzun tireli çizgi, Li et al. (2018) tarafından belirlendiği şekliyle CaO-SiO2–CO2 (CSC) sistemindeki dekarbonasyon tepkimesidir. Brd = briçmanit; Mgs = manyezit; MgsII = manyezit II; Cc = kalsit; CaPv = Ca-perovskit; St = stişovit; CS = CaCl2-yapılı SiO2; Se = seyfertit; Ppv = post-perovskit; Dia = elmas.
Yerküre Bilimleri Okulu'ndan Dr. James Drewitt şöyle açıklıyor: "Dünya'nın aşağı mantosu boyunca karbonat mineraller kararlı mı kalıyor ve eğer kalmıyorsa, mineraller arasındaki tepkimelerin kıvılcımını çakmak için hangi basınç/sıcaklık değişimleri gerekiyor ve neye benziyorlar? Bunlar yanıtlarını bulmak istediğimiz sorular ve o yanıtları bulmanın tek yolu da Dünya'nın içindeki koşulları canlandırmak."
Drewitt ve ekibi, sentetik karbonat kayaları, lazer ısıtmalı bir elmas örs (LHDAC) kullanarak, derin Dünya koşullarıyla kıyaslanabilir ölçüde çok yüksek basınç ve sıcaklıklara (90 GPa yani yaklaşık 900.000 atm ve 2000 derece C) maruz bıraktı. Karbonatın 1000-1300 km derinliklere kadar yani çekirdeğe olan uzaklığın neredeyse yarısı boyunca kararlı kalabildiğini buldular. Bu koşullar altında karbonat daha sonra çevredeki silika ile tepkimeye girerek, briçmanit (İng. bridgmanite) adıyla bilinen bir mineral oluşturdu. Briçmanit, dünya mantosunun büyük bölümünü oluşturuyor. Bu tepkimeyle salınan karbon, katı karbon dioksit biçiminde oluyor. Onu çevreleyen sıcak manto nihayetinde batmış levhayı ısıtınca, bu katı karbon dioksit kırılarak, süper-derin elmasları oluşturuyor. Manto püskürmeleriyle, bu süper-derin elmaslar yüzeye çıkabilir. Bu süreç, derin dünyanın bileşimine ilişkin elimizdeki tek doğrudan kanıt olan, yüzeyde bulunmuş olan süper-derin elmaslardan bazılarının kaynağını açıklayabilir. Drewitt bunun heyecan verici olduğunu, çünkü insanların şimdiye dek delerek ulaşabildikleri en derin mesafenin 12 km civarında olduğunu hatırlatıyor; yani manto derinliğinin yarısı kadar bile değil. Mantonun derinliğinin 3000 km'ye uzanabildiği düşünüldüğünde bu kıyaslama daha iyi anlaşılabilir.
Ekip bu derinliklerde bulunan basınçların eşdeğerini üretmek için elmas bir örs hücresi kullandı. Mikroskop altında, bir basınç odacığına örnekleri yüklediler. Basınç odacığı metal bir contadan mamüldü ve mücevher kalitesindeki akıllıca kesilmiş elmas örsler arasında sıkıştırma sağladı. Daha sonra örneklerin kristal yapısı, Oxfordshire'da bulunan UK sinkrotron tesisinde X-ışın kırınımı kullanarak çözümlendi. Drewitt, bir sonraki adımda bu yüksek basınçlı ve yüksek sıcaklıklı deneyleri, ileri bilgisayar simülasyon teknikleri ile birlikte kullanarak, diğer minerallere ve materyallere uygulamayı planlıyor.
James W.E. Drewitt et al. The fate of carbonate in oceanic crust subducted into earth's lower mantle, Earth and Planetary Science Letters (2019). DOI: 10.1016/j.epsl.2019.01.041 http://dx.doi.org/10.1016/j.epsl.2019.01.041
Diving into Earth's interior helps scientists unravel secrets of diamond formation https://phys.org/news/2019-02-earth-interior-scientists-unravel-secrets.html
değerli taş ve metaller levha tektoniği kristaller