Le alte temperature e pressioni del mantello terrestre forgiano minerali ricchi di carbonio noti come carbonati in diamante. Ma si sa meno sul destino dei carbonati che viaggiano ancora più in profondità nel sottosuolo, profondità da cui non è mai stato recuperato alcun campione.

Ora, Susannah Dorfman della Michigan State University e il suo team stanno scoprendo una risposta con strumenti di laboratorio che imitano queste condizioni estreme.

"Ciò che ci interessava era, quando il carbonio non è diamante?" ha aggiunto Dorfman. In un articolo recentemente pubblicato su Comunicazioni sulla natura , gli scienziati del Laboratorio di Mineralogia Sperimentale di Dorfman presso la MSU hanno ridefinito le condizioni in cui possono esistere i carbonati nel mantello inferiore della Terra, ampliando la nostra comprensione del ciclo profondo del carbonio e dell'evoluzione della Terra.

"La circolazione del carbonio e dei minerali dalla superficie della Terra attraverso la subduzione alla base del mantello terrestre avviene da miliardi di anni, " ha detto Dorfmann, professore assistente presso il Dipartimento di Scienze della Terra e dell'Ambiente, o EES, al College of Natural Science e coautore del documento. "Il nostro laboratorio chiede, "Come possiamo usare gli esperimenti per prevedere che aspetto ha e seguirlo chimicamente?"

Durante la subduzione, i carbonati di superficie - pensate agli scheletri di calcare e corallo - fanno un giro su fredde lastre di roccia che si tuffano sotto la crosta terrestre attraverso il movimento tettonico alimentato dal calore del mantello. Alcuni carbonati si sciolgono e vengono vomitati nell'atmosfera dai vulcani. Alcuni viaggiano più in basso e vengono pressati in diamanti.

Ma alcuni carbonati lo rendono ancora più profondo, verso il confine tra mantello e nucleo del pianeta quasi 1, 800 miglia sotto la superficie. La squadra di Dorfman era interessata a conoscere il loro destino. La precedente ricerca del team ha mostrato che alcuni carbonati potrebbero effettivamente sfuggire alla fusione o alla trasformazione in diamanti in un ambiente caldo, ambiente povero di ossigeno come il confine nucleo-mantello, ma nessuno sapeva che forma avrebbero preso in una vera roccia fino ad ora.

Nello studio, Dorfman e il coautore Mingda Lv, uno studente di dottorato EES del quinto anno, ha condotto esperimenti molto complessi per sintetizzare la roccia del mantello e illuminare per la prima volta il destino di quei carbonati profondamente subdotti.

"Per questo progetto, volevamo sapere come il carbonato coesisterebbe con la maggior parte dei silicati del mantello quando subdotto al mantello inferiore, " Ha detto Lv. "Abbiamo progettato gli esperimenti per estendere le condizioni di pressione e temperatura su questi minerali a regimi elevati, simulando le condizioni al confine nucleo-mantello della terra".

I loro esperimenti richiedevano un dispositivo fatto di materiale con la più alta tolleranza alla pressione di qualsiasi sostanza sulla Terra:i diamanti.

"La cella dell'incudine di diamante, anche se è qualcosa che puoi tenere in mano, ci dà le pressioni più alte in qualsiasi laboratorio senza usare esplosioni, "Dorfman ha detto. "Tutto ciò che sappiamo su ciò che accade al centro dei pianeti dipende da questo dispositivo".

Dorfman e Lv hanno assemblato con successo sottili dischi di carbonato e silicato come un sandwich tra i due diamanti della cella dell'incudine di diamante. Quindi, hanno schiacciato i dischi insieme come un panino minerale e hanno usato potenti laser per riscaldarli a temperature vertiginose fino a 4, 500 F.

Il risultato è stato qualcosa che nessuno pensava possibile, una forma sintetizzata di roccia carbonatica di calcio altamente pressurizzata che potrebbe esistere in condizioni di mantello inferiore.

"Prima di questo studio, l'idea era che non avresti mai dovuto avere carbonato di calcio nelle profondità della terra, ma solo in un ambiente poco profondo dove non è sceso a grandi profondità, "Dorfman ha detto. "I nostri esperimenti mostrano che verso la base del mantello, la reazione chimica cambia direzione e scambia i minerali come i partner nella danza quadrata:il magnesio e il calcio scambiano i loro partner di carbonato e silicato producendo carbonato di calcio e carbonato di magnesio".

La dimensione della loro roccia appena sintetizzata era solo la larghezza di un capello umano, e i singoli cristalli che compongono la roccia erano fino a 1, 000 volte più piccolo. Leggere tra i diamanti, Dorfman e Lv avevano bisogno del coltello più affilato e della luce più brillante che potessero trovare.

Hanno usato la tecnologia dell'acceleratore di particelle estremamente potente presso l'Argonne National Lab in Illinois per focalizzare la luce dei raggi X in un punto minuscolo e illuminare ciò che avevano creato. Quindi, con l'aiuto dei collaboratori dell'Istituto di Fisica della Terra di Parigi e del Centro per la caratterizzazione dei materiali dell'Università del Michigan, hanno usato fasci di ioni per tagliare la nuova roccia in sezioni trasversali.

Finalmente, utilizzando le tecniche di microscopia elettronica all'avanguardia presso il Center for Advanced Microscopy di MSU, hanno caratterizzato con successo la distribuzione elementare dei loro campioni recuperati.

"Senza questi laboratori, non saremmo mai stati in grado di osservare direttamente cosa sta succedendo nei nostri esperimenti, " Ha detto Lv. "La nostra collaborazione con queste strutture è un punto culminante dello studio".

"Sappiamo che la stragrande maggioranza del carbonio terrestre non si trova nell'atmosfera, è all'interno, ma le nostre ipotesi su quanto e dove dipendono principalmente dalle misurazioni delle reazioni chimiche, " Ha aggiunto Dorfman. "Il lavoro di Mingda Lv mostra che il carbonato di calcio può essere stabile nelle condizioni del mantello e fornisce un nuovo meccanismo da tenere in considerazione quando realizziamo modelli del ciclo del carbonio all'interno della terra".