Det kan finnas mer än en kvadrillion ton diamant gömd i jordens inre, enligt en ny studie från MIT och andra universitet. Men de nya resultaten kommer sannolikt inte att sätta igång en diamantrush. Forskarna uppskattar att de dyrbara mineralerna är begravda mer än 100 miles under ytan, långt djupare än någon borrexpedition någonsin nått.

Den ultradjupa cachen kan vara utspridda inom kratoniska rötter - de äldsta och mest orörliga delarna av berget som ligger under mitten av de flesta kontinentala tektoniska plattor. Formad som omvända berg, kratoner kan sträcka sig så djupt som 200 miles genom jordskorpan och in i dess mantel; geologer hänvisar till sina djupaste sektioner som "rötter".

I den nya studien, forskare uppskattar att kratoniska rötter kan innehålla 1 till 2 procent diamant. Med tanke på den totala volymen av kratoniska rötter i jorden, laget räknar med att ungefär en kvadrillion (10 ¹⁶ ) ton diamanter är utspridda i dessa gamla stenar, 90 till 150 miles under ytan.

"Detta visar att diamant kanske inte är detta exotiska mineral, men på den [geologiska] skalan av saker, det är relativt vanligt, säger Ulrich Faul, en forskare vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärisk, och planetvetenskap. "Vi kan inte komma åt dem, men ändå, det finns mycket mer diamant där än vi någonsin har trott förut."

Fauls medförfattare inkluderar forskare från University of California i Santa Barbara, Institut de Physique du Globe de Paris, University of California i Berkeley, Ecole Polytechnique, Carnegie Institution of Washington, Harvard Universitet, University of Science and Technology i Kina, University of Bayreuth, University of Melbourne, och University College London.

Ett ljudfel

Faul och hans kollegor kom till sin slutsats efter att ha förbryllat en anomali i seismiska data. Under de senaste decennierna, byråer som United States Geological Survey har fört globala register över seismisk aktivitet - i huvudsak, ljudvågor som färdas genom jorden som utlöses av jordbävningar, tsunamis, explosioner, och andra markskakande källor. Seismiska mottagare runt om i världen tar upp ljudvågor från sådana källor, med olika hastigheter och intensiteter, som seismologer kan använda för att avgöra var, till exempel, en jordbävning uppstod.

Forskare kan också använda dessa seismiska data för att konstruera en bild av hur jordens inre kan se ut. Ljudvågor rör sig i olika hastigheter genom jorden, beroende på temperaturen, densitet, och sammansättningen av stenarna genom vilka de färdas. Forskare har använt detta förhållande mellan seismisk hastighet och stensammansättning för att uppskatta de typer av stenar som utgör jordskorpan och delar av den övre manteln, även känd som litosfären.

Dock, genom att använda seismiska data för att kartlägga jordens inre, forskare har inte kunnat förklara en märklig anomali:Ljudvågor tenderar att öka avsevärt när de passerar genom rötterna på forntida kratonger. Kratoner är kända för att vara kallare och mindre täta än den omgivande manteln, vilket i sin tur skulle ge något snabbare ljudvågor, men inte riktigt lika snabbt som det som har uppmätts.

"Hastigheterna som mäts är snabbare än vad vi tror att vi kan reproducera med rimliga antaganden om vad som finns där, " säger Faul. "Då måste vi säga, 'Det finns ett problem.' Det var så det här projektet började."

Diamanter i djupet

Teamet syftade till att identifiera sammansättningen av kratoniska rötter som kan förklara topparna i seismiska hastigheter. Att göra detta, Seismologer i teamet använde först seismiska data från USGS och andra källor för att generera en tredimensionell modell av hastigheterna för seismiska vågor som färdas genom jordens stora kratoner.

Nästa, Faul och andra, som tidigare har mätt ljudhastigheter genom många olika typer av mineraler i laboratoriet, använde denna kunskap för att montera virtuella stenar, tillverkad av olika kombinationer av mineraler. Sedan beräknade teamet hur snabbt ljudvågor skulle färdas genom varje virtuell sten, och hittade bara en typ av sten som producerade samma hastigheter som vad seismologerna mätte:en som innehåller 1 till 2 procent diamant, förutom peridotit (den dominerande bergarten i jordens övre mantel) och mindre mängder eklogit (representerar subducerad oceanisk skorpa). Detta scenario representerar minst 1, 000 gånger mer diamant än vad folk tidigare hade förväntat sig.

"Diamant är på många sätt speciell, " säger Faul. "En av dess speciella egenskaper är, ljudhastigheten i diamant är mer än dubbelt så snabb som i det dominerande mineralet i övre mantelbergarter, olivin."

Forskarna fann att en stensammansättning på 1 till 2 procent diamant skulle vara precis tillräckligt för att producera de högre ljudhastigheter som seismologerna mätte. Denna lilla fraktion av diamant skulle inte heller ändra den totala densiteten för en kraton, som naturligt är mindre tät än den omgivande manteln.

"De är som träbitar, flyter på vattnet, " säger Faul. "Kratonger är lite mindre täta än omgivningen, så att de inte subduceras tillbaka till jorden utan förblir flytande på ytan. Så bevarar de de äldsta stenarna. Så vi fann att du bara behöver 1 till 2 procent diamant för att kratonger ska vara stabila och inte sjunka."

På ett sätt, Faul säger att kratoniska rötter delvis gjorda av diamant är vettigt. Diamanter smids under högt tryck, högtemperaturmiljö på den djupa jorden och bara göra den nära ytan genom vulkanutbrott som inträffar med några tiotals miljoner år. Dessa utbrott skär ut geologiska "rör" gjorda av en typ av sten som kallas kimberlit (uppkallad efter staden Kimberley, Sydafrika, där de första diamanterna i denna typ av sten hittades). Diamant, tillsammans med magma från djupet av jorden, kan spy ut genom kimberlitrör, upp på jordens yta.

För det mesta, kimberlitrör har hittats vid kanterna av kratoniska rötter, som i vissa delar av Kanada, Sibirien, Australien, och Sydafrika. Det vore vettigt, sedan, att kratoniska rötter ska innehålla lite diamant i sin makeup.

"Det är indicier, men vi har satt ihop allt, " säger Faul. "Vi gick igenom alla olika möjligheter, från alla vinklar, och det här är den enda som finns kvar som en rimlig förklaring."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.