Stål rostar av vatten och luft på jordens yta. Men hur är det med djupt inne i jordens inre?

Jordens kärna är den största kollagringen på jorden - ungefär 90 % är begravd där. Forskare har visat att den oceaniska skorpan som sitter ovanpå tektoniska plattor och faller in i det inre, genom subduktion, innehåller vattenhaltiga mineraler och ibland kan sjunka hela vägen till gränsen mellan kärnan och manteln. Temperaturen vid gränsen mellan kärnan och manteln är minst dubbelt så varm som lava och tillräckligt hög för att vatten kan frigöras från de vattenhaltiga mineralerna. Därför kan en kemisk reaktion som liknar rostande stål inträffa vid jordens kärna-mantelgräns.

Byeongkwan Ko, nyligen doktorand vid Arizona State University. examen, och hans medarbetare publicerade sina resultat om gränsen mellan kärna och mantel i Geophysical Research Letters . De genomförde experiment vid Advanced Photon Source vid Argonne National Laboratory, där de komprimerade järn-kol-legering och vatten till det tryck och den temperatur som förväntas vid jordens kärna-mantel-gräns, vilket smälte järn-kol-legeringen.

Forskarna fann att vatten och metall reagerar och gör järnoxider och järnhydroxider, precis som vad som händer med rost på jordens yta. Emellertid fann de att för förhållandena för kärnan-mantelgränsen kommer kol ut ur den flytande järn-metalllegeringen och bildar diamant.

"Temperaturen vid gränsen mellan silikatmanteln och den metalliska kärnan på 3 000 km djup når till ungefär 7 000 F, vilket är tillräckligt högt för att de flesta mineraler ska förlora H₂ O fångad i deras strukturer i atomskala", säger Dan Shim, professor vid ASU:s School of Earth and Space Exploration. "Faktum är att temperaturen är tillräckligt hög för att vissa mineraler ska smälta vid sådana förhållanden."

Eftersom kol är ett järnälskande grundämne förväntas betydande kol finnas i kärnan, medan manteln tros ha relativt lågt kol. Men forskare har funnit att det finns mycket mer kol i manteln än förväntat.

"Vid de förväntade trycken för jordens kärna-mantel gräns, verkar vätelegering med järnmetallvätska minska lösligheten av andra lätta element i kärnan," sa Shim. "Därför minskar lösligheten av kol, som sannolikt finns i jordens kärna, lokalt där väte kommer in i kärnan från manteln (genom uttorkning). Den stabila formen av kol vid tryck-temperaturförhållandena för jordens kärna-mantel gräns är diamant. Så kolet som läcker ut från den flytande yttre kärnan skulle bli diamant när det kommer in i manteln."

"Kol är ett viktigt element för livet och spelar en viktig roll i många geologiska processer", säger Ko. "Den nya upptäckten av en kolöverföringsmekanism från kärnan till manteln kommer att belysa förståelsen av kolcykeln i jordens djupa inre. Detta är ännu mer spännande med tanke på att diamantbildningen vid gränsen mellan kärnan och manteln kan ha varit pågått i miljarder år sedan initieringen av subduktion på planeten."

Kos nya studie visar att kol som läcker från kärnan in i manteln genom denna diamantbildningsprocess kan ge tillräckligt med kol för att förklara de förhöjda kolmängderna i manteln. Ko och hans medarbetare förutspådde också att diamantrika strukturer kan existera vid gränsen mellan kärnan och manteln och att seismiska studier kan upptäcka strukturerna eftersom seismiska vågor borde färdas ovanligt snabbt för strukturerna.

"Anledningen till att seismiska vågor bör fortplanta sig exceptionellt snabbt genom diamantrika strukturer vid gränsen mellan kärnan och manteln beror på att diamant är extremt inkompressibel och mindre tät än andra material vid gränsen mellan kärnan och manteln," sa Shim.

Ko och team kommer att fortsätta undersöka hur reaktionen också kan förändra koncentrationen av andra lätta element i kärnan, såsom kisel, svavel och syre, och hur sådana förändringar kan påverka mineralogin i den djupa manteln. + Utforska vidare

Tunga järnisotoper som läcker från jordens kärna