De höga temperaturerna och trycket i jordens mantel smider kolrika mineraler som kallas karbonater till diamant. Men mindre är känt om ödet för karbonater som färdas ännu djupare under jorden - djup från vilka inget prov någonsin har utvunnits.

Nu, Michigan State University Susannah Dorfman och hennes team gräver fram ett svar med labbverktyg som efterliknar dessa extrema förhållanden.

"Det vi var intresserade av är när är kol inte diamant? "tillade Dorfman. I en tidning som nyligen publicerades i Naturkommunikation , forskare i Dorfmans Experimental Mineralogy Lab vid MSU omdefinierade förhållandena under vilka karbonater kan existera i jordens nedre mantel, utvidga vår förståelse för den djupa kolcykeln och jordens utveckling.

"Cirkulationen av kol och mineraler från jordens yta genom subduktion till basen av jordens mantel har skett i miljarder år, "sa Dorfman, biträdande professor vid institutionen för jord- och miljövetenskap, eller EES, vid College of Natural Science och medförfattare till uppsatsen. "Vårt labb frågar "Hur kan vi använda experiment för att förutsäga hur det ser ut och följa det kemiskt?"

Under subduktion, ytkarbonater - tänk kalksten och korallskelett - åk på kalla stenhällar som dyker under jordskorpan genom tektonisk rörelse som drivs av mantelns värme. Vissa karbonater smälter och sprutas tillbaka till atmosfären av vulkaner. Vissa reser längre ner och pressas till diamanter.

Men vissa karbonater gör det ännu djupare, mot gränsen mellan planetens mantel och kärna nästan 1, 800 mil under ytan. Dorfmans team var intresserade av att lära sig deras öde. Teamets tidigare forskning visade att vissa karbonater verkligen kunde undkomma att smälta eller förvandlas till diamanter i en het, syrefattig miljö som kärnmantelgränsen, men ingen visste vilken form de skulle få i en riktig sten förrän nu.

I studien, Dorfman och medförfattare Mingda Lv, en femte års EES -doktorand, genomförde mycket komplexa experiment för att syntetisera mantelberg och belysa ödet för de djupt subduktionerade karbonaterna för första gången.

"För detta projekt, vi ville veta hur karbonat skulle samexistera med majoriteten av mantelsilikater när det subduceras till den nedre manteln, "Lv sa." Vi utformade experimenten för att förlänga tryck- och temperaturförhållandena på dessa mineraler till höga regimer, simulera förhållanden vid jordens kärnmantelgräns. "

Deras experiment krävde en anordning tillverkad av material med högsta tryck-tolerans för alla ämnen på jorden-diamanter.

"Diamantstädcellen, även om det är något du kan hålla i handen, ger oss det högsta trycket i alla laboratorier utan att använda explosioner, "Dorfman sa." Allt vi vet om vad som händer i mitten av planeter är beroende av denna enhet. "

Dorfman och Lv monterade framgångsrikt tunna karbonat- och silikatskivor som en smörgås mellan diamantstädcellens två diamanter. Sedan, de pressade ihop skivorna som en mineralpanini och använde kraftfulla lasrar för att värma dem till höga temperaturer upp till 4, 500 F.

Resultatet var något ingen trodde var möjligt, en syntetiserad form av högt trycksatt kalciumkarbonatsten som kan existera under lägre mantelförhållanden.

"Innan denna studie tanken var att du aldrig skulle ha kalciumkarbonat i den djupa jorden, men bara i en grund miljö där den inte har kommit ner till stora djup, "Sa Dorfman." Våra experiment visar att mot mantelns bas, den kemiska reaktionen ändrar riktning och byter mineraler som partners i fyrkantig dans - magnesium och kalcium byter karbonat och silikatpartners som producerar kalciumkarbonat och magnesiumkarbonat. "

Storleken på deras nysyntetiserade sten var bara bredden på ett människohår, och de enskilda kristallerna som omfattar berget var upp till 1, 000 gånger mindre. För att läsa mellan diamanterna, Dorfman och Lv behövde den vassaste kniven och det ljusaste ljuset de kunde hitta.

De använde den extremt kraftfulla partikelacceleratorstekniken vid Argonne National Lab i Illinois för att fokusera röntgenljus till en liten punkt och belysa vad de hade skapat. Sedan, med hjälp av medarbetare vid Institute of Earth Physics i Paris och University of Michigan Center for Materials Characterization, de använde jonstrålar för att dela den nya berget i tvärsnitt.

Till sist, med hjälp av de senaste elektronmikroskopiteknikerna vid MSU:s centrum för avancerad mikroskopi, de präglade framgångsrikt elementärfördelningen av deras återvunna prover.

"Utan dessa laboratorier, vi skulle aldrig ha kunnat direkt observera vad som händer i våra experiment, "Lv sa." Vårt samarbete med dessa faciliteter är en höjdpunkt i studien. "

"Vi vet att en stor majoritet av jordens kol inte finns i atmosfären, det är inuti, men vår gissning om hur mycket och var beror mest på mätningar av kemiska reaktioner, "Tillade Dorfman." Mingda Lvs arbete visar att kalciumkarbonat kan vara stabilt under mantelförhållanden och ger en ny mekanism att ta hänsyn till när vi gör modeller av kolcykeln inuti jorden. "