Att undersöka förhållandena inom jordens inre är avgörande inte bara för att ge oss ett fönster tillbaka till jordens historia utan också för att förstå den nuvarande miljön och dess framtid.

Den här studien, publicerad i Naturkommunikation , ger en förklaring av kolets nedstigning till den djupa jorden. "Karbonaternas stabilitetsregioner är nyckeln till att förstå den djupa kolcykeln och den djupa jordens roll i den globala kolcykeln." säger Leonid Dubrovinsky, från University of Bayreuth.

Det är här ESRF, den europeiska synkrotronen i Grenoble, Frankrike. kommer in. "De intensiva röntgenstrålarna från ESRF gör att vi kan komma åt de extrema förhållandena inom hela jordens mantel." understryker Valerio Cerantola, huvud författare, tidigare doktorand vid University of Bayreuth och nu postdoktor vid ESRF.

Under förra seklet, den snabba ökningen av mängden koldioxid i atmosfären tillsammans med de observerade klimatförändringarna har alltmer fokuserat forskarnas uppmärksamhet på kolcykeln och dess utveckling på jordens yta. Kolcykeln sträcker sig också under ytan:senaste uppskattningarna lokaliserar upp till 90% av jordens koldioxidbudget i jordens mantel och kärna. På grund av den dynamiska karaktären hos tektoniska plattrörelser, konvektion och subduktion, det finns en ständig återvinning av kol mellan jordens yta och dess djupa inre.

I den här studien, forskargruppen fokuserade på karbonatfaser, som är en av de viktigaste kolhaltiga mineralerna i den djupa manteln. Karbonater är en grupp mineraler som innehåller karbonatjonen (CO32-) och en metall, såsom järn eller magnesium. Forskarna studerade beteendet hos ett rent järnkarbonat, FeCO3 (kallad siderit), vid extrema temperatur- och tryckförhållanden som täcker hela jordens mantel, vilket betyder över 2500 K och 100 GPa, vilket motsvarar ungefär en miljon gånger atmosfärstrycket.

"Detta järnkarbonat är av särskilt intresse på grund av dess stabilitet vid lägre mantelförhållanden på grund av centrifugering. Dessutom är kristallkemin hos högtryckskarbonaterna dramatiskt annorlunda än vid omgivande förhållanden." förklarar Elena Bykova, från University of Bayreuth.

För att studera stabiliteten hos FeCO3, forskargruppen utförde högtrycks- och högtemperaturförsök vid tre ESRF -strållinjer:ID27, ID18 och ID09a (nu ID15b). "Kombinationen av de flera teknikerna gav oss unika datamängder som i slutändan tillät oss att avslöja nya C-bärare inne på den djupa jorden och visa mekanismen bakom deras bildning", säger Cerantola. En experimentell körning utfördes vid beamline 13ID-D vid APS.

Vid uppvärmning av FeCO3 till jordens geotermtemperaturer vid tryck upp till cirka 50 GPa, FeCO3 dissocierade delvis och bildade olika järnoxider. Vid högre tryck, över ~ 75 GPa, forskarna upptäckte två nya föreningar - tetrairon (III) ortokarbonat, Fe43+C3O12, och diiron (II) diiron (III) tetrakarbonat, Fe22+Fe23+C4O13 (Figur 1). ?

"Det fanns några teoretiska förutsägelser, men hittills har experimentell information om strukturer för högtryckskarbonater varit för begränsad (och faktiskt kontroversiell) för att spekulera om karbonatkristallkemi. Våra data visar att medan kristallstrukturen för Fe22+Fe23+C4O13 kan hittas i silikater, inga analoger av Fe43+C3O12 finns i naturen. "understryker Bykova.

De fick också reda på att en fas, tetrakarbonat Fe4C4O13, uppvisar en aldrig tidigare skådad strukturell stabilitet och håller sin struktur även vid tryck längs hela geotermen till minst 2500 km djup, som ligger nära gränsen mellan manteln och kärnan. Det visade alltså att självoxidationsreducerande reaktioner kan bevara karbonater i jordens nedre mantel? (Figur 1, a och b). "Studien visar vikten av oxidation och reduktion (redox) reaktioner i den djupa kolcykeln, som oundvikligen är kopplade till andra flyktiga cykler som syre. "understryker Catherine McCammon, från University of Bayreuth.