8 Minute
Includeri bogate în nichel prinse în diamante superadânci
Diamantele recuperate din mina Voorspoed din Africa de Sud conțin incluzii metalice nichel-fier și carbonatice bogate în nichel, care păstrează o serie de reacții petrecute la aproximativ 300–470 km sub suprafața Pământului. O echipă de cercetători condusă de Yael Kempe și Yaakov Weiss (Universitatea Ebraică din Ierusalim) a identificat aliaje metalice și faze carbonatice de dimensiuni nano- și microcare conservate în interiorul diamantelor formate în mantaua superioară adâncă și în zona de tranziție superficială. Descoperirea incluziunilor aliate bogate în nichel în diamante sud-africane confirmă reacții din manta prezise de mult timp. Aceste incluzii minuscule ne arată cum procesele din adâncurile Terrei modelează magmele, dar și diamantele însele.
Context științific și metodologie
Mantaua Pământului este un mediu chimic dinamic: convectează, transportă elemente volatile și schimbă material cu scoarța. Un parametru esențial, dar dificil de cuantificat direct, este starea redox a mantalei — echilibrul între speciile chimice oxidate și reduse — care controlează stabilitatea mineralelor, speciația compușilor volatili și compoziția magmelor. Experimentele la înaltă presiune și modelele termodinamice au sugerat de mult timp că aliajele metalice bogate în nichel pot fi stabile la adâncimi de câteva sute de kilometri, însă dovezile naturale directe au fost rare.
Pentru a investiga incluziunile foarte mici din diamante, Weiss și colegii au folosit tehnici avansate de microscopie electronică și spectroscopie la Nanocenter (Universitatea Ebraică) și în laboratoarele partenere (University of Nevada, University of Cambridge). Metode precum TEM (microscopie electronică în transmisie), STEM, EDS și EELS, combinate cu pregătirea precisă prin FIB (focused ion beam), au permis cartografierea și analiza chimică a nanoincluziunilor din diamantele Voorspoed.
Determinarea adâncimii de formare a fost susținută de prezența incluziunilor sensibile la presiune: coesit (o formă de SiO2 stabilă la presiuni mari), faze aluminoase îmbogățite în K și azot molecular solid. Aceste geobarometre microscopice au restrâns intervalul de formare la aproximativ 280–470 km, ceea ce indică clar un origin deep-mantle (mantaua adâncă) pentru materialele capturate.
Prin combinarea datelor texturale, petrologice și spectroscopice, echipa a reușit să distingă fazele metalice nanometrice de carbonatele asociate și să evalueze istoria reacțiilor redox care au avut loc înainte ca incluziunile să fie închise în matricea diamantului. Această abordare multi-technique a fost esențială pentru a separa semnalele provenite din includeri de cele din cristalul gazdă și pentru a interpreta condițiile P-T (presiune-temperatură) ale evenimentului metasomatic.
Descoperirea-cheie: redox-freezing și imagini ale reacțiilor
Coexistența metalului nichel-fier și a carbonatelor bogate în nichel în același diamant indică un proces metasomatic localizat cunoscut sub numele de "redox-freezing". În acest scenariu, un melt oxidat carbonatitic–silicic a infiltrat peridotitul redus, care conținea metal nativ. Fierul s-a oxidat preferențial și a intrat în topitură, lăsând în urmă un metal rezidual îmbogățit în nichel; în paralel, carbonatele bogate în nichel și diamantele s-au cristalizat din topitură sau au fost produse prin reducerea topiturii, formând diamantul.
Procesul de "înghețare redox" descris aici imobilizează produșii unei reacții înainte ca aceștia să reechilibreze chimic roca mantalei înconjurătoare. Diamantele acționează astfel ca capsule de timp mineralogice: ele captează atât reactanții, cât și produșii intermediari și finali, oferind o fotografie instantanee a unei stări chimice care altfel ar fi dispărut rapid prin reechilibrare la scară mare.
Din punct de vedere termodinamic, observațiile oferă o confirmare naturală pentru stabilitatea aliajelor bogate în nichel la condițiile de presiune și temperatură prevăzute de modelele experimentale. Aceasta nu doar validează predicțiile privind comportamentul redox al mantalei, dar furnizează și parametri reali—concentrații, texturi, relații paragenetice—pe care le pot integra modelele geochimice și geofizice ale mantalei profunde.
Mai mult, texturile observate la scara nanometrică pot fi interpretate pentru a deduce succesiunea evenimentelor: infiltrația topiturii, oxidarea fierului, segregarea metalului bogat în nichel, formarea carbonatelor și în final închiderea incluziunilor prin creșterea diamantului. Fiecare dintre aceste etape lasă amprente distincte care, citite corect, reconstruiesc istoricul chimic al unei mici porțiuni din manta la sute de kilometri adâncime.
Implicații pentru dinamica mantalei și magmatism
Implicarea proceselor de oxidare locală controlate de infiltrația topiturilor are consecințe largi. Evenimentele metasomatice care cresc fugacitatea oxigenului (oxygen fugacity) la scară mică pot crea buzunare de mantă îmbogățite în volatili și carbonatate, zone ce devin surse preferențiale pentru generarea magmelor volatile, cum ar fi kimberlitele și lamprofirurile.
Kimberlitele, de exemplu, sunt magme foarte volatile care pot transporta rapid material din adâncimi mari la suprafață, inclusiv diamante. Prezența incluziunilor bogate în nichel în diamantele superadânci sugerează un traseu direct între reacțiile redox din mantaua adâncă și generarea acestor magme volatile. Astfel, o reacție locală care modifcă raportul Fe/Ni sau starea de oxidare a unui volum restrâns de mantă poate avea efecte macroscopice, facilitând ascensiunea rapidă a magmelor și livrarea diamantelor la suprafață.
De asemenea, aceste observații au implicații pentru bugetul global al carbonului și al volatilor din interiorul Pământului. Carbonatele aduse sau stabilizate la adâncime pot funcționa ca rezervoare temporare pentru carbon și pot influența modul în care carbonul este reciclat între mantă și suprafață. În plus, schimbările locale de redox modifică speciația carbonului (CO2 vs. carbonat vs. carburi), afectând astfel tensiunea gazelor și potențialul exploziv al magmelor produse ulterior.
Pe plan petrologic, aceste incluzii oferă date care pot fi folosite pentru a integra modelarea numerică a convecției mantalei, studiile experimentale privind stabilitatea fazelor și observațiile geofizice ale proprietăților mantalei. Conexiunea dintre micro-scări (nanometrii) și procese la scară largă (ascensiunea magmelor) este un exemplu de cum studiile detaliate ale mineralelor pot susține interpretări geodinamice la scară planetară.
Legături geochimice mai largi
Dacă oxidarea metasomatică are un caracter episodic și sever fragmentat spațial, acest lucru explică variațiile semnificative ale fugacității oxigenului în includerile diamante superadânci comparativ cu mantaua înconjurătoare. Astfel de evenimente locale pot conduce la îmbogățiri în elemente incompatibile (potasiu, carbonat, volatili) și pot pregăti mici domenii mantale pentru erupții violente, bogate în gaze.
În plus, compoziția particulară a incluziunilor—îmbogățiri în Ni, prezența carbonatelor și a metalelor native—sugerează mecanisme de separare de faze la scară mică: segregarea metalică, precipitare carbonatică și reducere-locală a carbonatului pentru a forma diamante. Astfel, analiza chimică fină poate identifica sursele elementelor incompatibile și modul prin care ele au fost transportate și fixate în mantaua adâncă.
Există, de asemenea, implicații pentru interpretarea datelor izotopice: incluziunile pot păstra semnături izotopice ale topiturilor sau ale materialelor infiltrate, oferind o fereastră unică spre sursele chimice care au alimentat evenimentele metasomatice. Aceste semnături pot ajuta la trasarea originii materialului—dacă provine din subductare, din reciclat crustal sau din componente mantale primordiale.
Concluzie
Diamantele Voorspoed oferă un registru rar și direct al reacțiilor redox din mantaua profundă și confirmă predicțiile de lungă durată privind stabilitatea aliajelor bogate în nichel la adâncime. Prin conservarea simultană a fazelor metalice și carbonatice, aceste diamante ilustrează modul în care interacțiunea topitură–rocă alterează chimia mantalei și conturează rezervoarele de volatili care generează kimberlitele și alte tipuri de magme.
Ca adevărate capsule de timp minerale, diamantele continuă să dezvăluie procesele ascunse care modelează interiorul Terrei, de la transformări chimice la sute de kilometri adâncime până la erupții care transportă fragmente ale acelor medii profunde la suprafață. Studiile viitoare care vor combina analize izotopice, experimente la înaltă presiune și modelare numerică vor aprofunda înțelegerea acestor evenimente și vor clarifica rolul lor în evoluția chimică și dinamică a mantalei.
Prin extinderea setului de date naturale cu exemple din diferite provincii diamantifere și prin rafinarea tehnicilor analitice la scara nanometrică, comunitatea științifică poate reconstrui istorii redox foarte detaliate ale mantalei, oferind o perspectivă esențială asupra ciclurilor profunde ale elementelor majore, ale metalelor siderofile precum nichelul și ale volatilor care influențează activitatea magmatică a planetei noastre.
Sursa: sciencedaily
Comentarii