Как алмазы попадают на поверхность из глубоких недр? Раскрыт химический механизм, освобождающий алмазы из 150-километрового плена

Все алмазы, формируются в условиях экстремального давления на глубине свыше 150 километров. А поверхности Земли они достигают благодаря уникальному геологическому процессу — кимберлитовому извержению. Скорость подъема этой мантийной магмы должна быть очень высокой, до 130 км/ч, чтобы предотвратить обратное преобразование алмазов в графит — их стабильную форму при низких давлениях. Долгое время точный механизм, обеспечивающий такое ускорение, оставался не совсем понятным.

Новое исследование сводит эту проблему к точным химическим параметрам. Оказывается, возможность извержения и, следовательно, выноса алмазов на поверхность, определяется не столько объемом магмы, сколько критической концентрацией одного летучего компонента — диоксида углерода.

Материнский расплав

Основная сложность изучения кимберлитов заключается в том, что геологи имеют дело с конечным продуктом — застывшей породой, сильно измененной в процессе подъема и извержения. Состав исходной, (или прото-кимберлитовой), магмы в момент ее зарождения в мантии невозможно измерить напрямую. Она содержит обломки пород, захваченных по пути (ксенолиты), и претерпевает значительные химические изменения. Это не позволяло точно определить, какие именно факторы придают ей уникальные свойства, в первую очередь — способность к сверхбыстрому подъему.

Без понимания исходной химии расплава любые теории о движущей силе извержения оставались гипотетическими. Было ясно, что ключевую роль играют летучие газы, такие как вода и CO₂, но их точные функции и необходимые концентрации были неизвестны.

Моделирование процесса

С целью выяснить подробности, группа исследователей под руководством Аны Анзулович из Университета Осло применила метод молекулярной динамики. Они создали цифровую модель кимберлитового расплава трубки Джерико в Канаде и начали систематически изменять в ней содержание воды (H₂O) и углекислого газа (CO₂).

Стояла цель отследить изменение плотности магмы по мере ее виртуального подъема, то есть при последовательном снижении давления и температуры. Ключевым параметром для анализа была плавучесть — способность расплава оставаться менее плотным, чем окружающие породы континентальной коры (кратона). Если на каком-то этапе моделирования плотность магмы превышала плотность коры, это означало, что в реальности ее подъем прекратился бы.

Двойная функция летучих компонентов

Результаты моделирования продемонстрировали, что вода и углекислый газ выполняют две разные, но взаимодополняющие функции.

Вода отвечает за поддержание низкой вязкости расплава. Ее присутствие не дает магме загустеть, сохраняя ее текучесть и подвижность на протяжении всего пути сквозь мантию и кору.

Углекислый газ является основным двигающим агентом. Его действие разделяется на два этапа:

1. На большой глубине, под высоким давлением, CO₂ находится в растворенном состоянии. Он встраивается в силикатную структуру расплава, эффективно снижая его общую плотность. Этого достаточно, чтобы обеспечить начальную плавучесть и запустить процесс подъема магмы сквозь мантию.
2. Вблизи поверхности, при резком падении давления, происходит экзолюция — стремительное выделение CO₂ из расплава в виде газовой фазы. Этот процесс приводит к многократному увеличению объема магматической смеси и созданию избыточного давления, которое выталкивает кимберлит на поверхность со взрывной силой.

Количественный порог извержения

Наиболее важным результатом исследования стало определение конкретного количественного порога. Модель показала, что для успешного извержения кимберлита Джерико необходимо, чтобы в исходном расплаве содержалось не менее 8,2% углекислого газа.

При меньшей концентрации CO₂ плотность магмы на подходе к континентальной коре оказывается выше плотности окружающих пород. В таком случае расплав теряет плавучесть и застывает, не достигая поверхности. Извержения не происходит.

Это открытие доказывает, что само существование алмазоносных трубок зависит от точного химического состава мантийного источника. Метод, позволивший связать поведение отдельных атомов в цифровой модели с геологическими процессами планетарного масштаба, позволяет лучше изучить недра Земли в будущем.