Вулканите, които са изхвърляли диаманти със свръхзвукова скорост, може би ще се върнат към живот

Странни вулкани, наречени кимберлити, изхвърлят диаманти от земните дълбини. Учените винаги са се опитвали да разберат защо са спрели преди милиони години - но може би не са

Ваня Милева Последна промяна на 21 март 2024 в 00:00 3439 0

Кредит PICRYL, Public Domain

Диамантите са скъпоценни за мнозина, но те заемат специално място в сърцата на геолозите. Те са изковани много отдавна в огнените дълбини на недостъпната земна мантия и са изведени на повърхността, яхнали свръхзвукови струи магма от причудливи вулкани, наречени кимберлити.

Не е ясно как точно са се образували диамантите, но се знае, че те са като капсули на времето, които могат да разкажат за тайните на далечното минало на нашата планета. И може би най-големият въпрос от всички е защо кимберлитите, които са ги изтласкали на повърхността, изглежда са угаснали преди милиони години.

Томас Гернън (Thomas Gernon) от Университета на Саутхемптън, Великобритания, и неговите колеги може би най-накрая разполагат с изчерпателен модел за работата на тези вулкани, а с това и с по-добро разбиране на техните съкровища. Нещо повече, тяхната работа разкрива една вълнуваща перспектива - кимберлитите може би все пак не са изчезнали.

Противно на общоприетото схващане, диамантите не произлизат от компресирани въглища. Не е ясно как точно се създават, но геохимичните изследвания и лабораториите, които имитират екстремните температури и налягания в земните дълбини, дават някои насоки. Предполага се, че някои от тях се зараждат в мантията - плътен, но течен слой, в който богатият на въглерод материал е толкова притиснат, че излишният въглерод се изтласква, за да израсне като чисти кристални призми.

Други диаманти биха могли да се образуват, когато една тектонична плоча потъва в мантията (в процес, наречен субдукция), седиментите на морското дъно потъват стотици километри в земната кора, където високите температури и интензивното налягане над 40 000 пъти това на атмосферното налягане в крайна сметка смесва минералите в малки кристали. След това те се стопяват в древната мантия при температури над 800° C.).  Високата температура и налягане правят тези карбонати химически нестабилни, изхвърляйки въглерода и създавайки диаманти.

Субдукция

Как се образуват диамантите?

Вероятно има още десетки други начини за получаване на диаманти. Но независимо от използвания процес, те обикновено са много древни. По-голямата част от диамантите са на повече от един милиард години.

"Най-старите, които сме анализирали, са на около 3,5 милиарда [години]", обяснява Стив Шайри (Steve Shirey), геохимик от Научния институт "Карнеги" във Вашингтон.

Диамантите са издръжливи и могат да понесат почти всичко. Това ги прави уникални хроникьори на Земята. Когато се образуват, в тях се затварят частици от минерали и течности, известни като инклузии, които датират отпреди милиарди години, запазвайки химически свидетелства за това как е изглеждала първичната Земя. Благодарение на това знаем например, че "мантията има разпръсната вода за поне още един океан", разказва Яна Федорчук (Yana Fedortchouk), експериментален петролог от Университета Далхаузи в Халифакс, Канада.

Единственият начин диамантите да видят дневна светлина е да се качат на един много странен вид вулканично изригване. До 1869 г. скъпоценните камъни са били откривани само в седименти, оставени от реките. Но през същата година са открити в магмени скали в различни южноафрикански райони, включително и в Кимбърли. Тези скали са наречени кимбърлити и са продукт на екстремни вулканични събития.

Държави с диамантени мини. Кредит: Geology.com

Към днешна дата са открити около 6000 кимберлитни образувания. Повечето от тях се намират в Южна Африка, но са открити на всички континенти, включително и на Антарктида. Около 3 % от тях съдържат значителни по размер диаманти. Всички те са с вулканичен произход. А в сравнение с класическия вид планински вулкани, кимберлитните вулкани са изключително странни.

Първата особеност, която ги отличава, е тяхната магма. В повечето вулкани бълбукащата разтопена скала продължава да кипи в земната кора, където се превръща в съставните лави, които днес изригват на Земята. Но кимберлитните вулкани прескачат тази стъпка. Тяхната магма съдържа флуиди и минерали - и дори парчета полуразрушена скала - от дълбините на мантията.

"Кимберлитите изригват от по-дълбоки части на земната мантия, а също така изригват и по-голямо количество", обяснява Греъм Пиърсън (Graham Pearson), геохимик от Университета на Алберта в Канада.

Кимбърлитова тръба. Схема: Asbestos~commonswiki. Wikimedia Commons

Това означава, че кимберлитовите изригвания трябва да стават бързо. Докато се издига от мантията към кората, въглеродът в изригващия материал се превръща в газообразен въглероден диоксид, превръщайки магмата в пенеста ракета. Това прилича на "изстрелване на ракета", разказва Джанин Кавана (Janine Kavanagh), вулканолог от Университета в Ливърпул, Великобритания. С ускоряването си магмата носи нагоре диаманти и цели парчета мантийни скали.

"Има неща, които се издигат със свръхзвукова скорост, и в някакъв момент в горната част на кората - бум!", добавя Андреа Джулиани (Andrea Giuliani), изследовател на кимберлитите в ETH Цюрих, Швейцария.

Никой никога не е бил свидетел на кимберлитно изригване, затова геолозите събират детайли, за да измислят потенциални сценарии. Може би горещата магма се сблъсква с хладка вода, което предизвиква силни, изпълнени с пара взривове. Може би затвореният в разтопената материя газ яростно излита нагоре и една експлозия води до друга, следваща и т.н.

Ако изригването пробие повърхността, ще се образува кратер, който се разширява, заедно с тунела на магмата.

"Ще се появят пирокластични потоци, ще има голям еруптивен плюм", обяснява Кавана.

Експлозиите в продължение на много часове отварят рана, която се вдълбава все по-дълбоко в повърхността. В крайна сметка може да се стигне до изригване или изтичане на лава. И когато всичко приключи, остава зейнал кратер, няколко отломки от втвърдена магма, известни като дайки, и тръба, простираща се надолу в земната кора, задушена от натрошени вулканични скали и други отломки.

Кариера "Мир". Град Мирни, Якутия. Кредит: Wikimedia Commons

Сега, милиони години след изригването им, онова, което е останало от кимберлитовите вулкани, не е вулканичен връх. Всъщност тяхната архитектура често е подземна. Техните най-забележителни характеристики са заровени вертикални скални тръби, понякога дълги няколко километра. Смята се, че това са каналите, които някога са насочвали магмата към повърхността. Някои са "по-скоро като чаши за шампанско, други приличат повече на морков", разказва Джулиани.

Но най-смущаващият факт за геолозите е, че кимберлитният вулканизъм изглежда е напълно приключил. Те са започнали да изригват преди около 2 милиарда години и са достигнали пика си преди около 100 милиона години, когато динозаврите са управлявали света. Дълго време най-младият известен кимбърлит е бил на възраст от 30 до 40 милиона години. След това те изчезват от геоложките записи.

Това в еднаква степен омагьосва и обърква учените. Те имат достатъчно проблеми с разгадаването на поведението и задействането на активно изригващите вулкани.

Изучаването на отдавна мъртвите кимбърлити е значително по-трудно - това е вулканоложкият еквивалент на археологията. И това, че тръбите, които образуват, са пълни с бъркотия от разбити парчета доказателства, не помага.

"Повечето от камъните там са пълен боклук“, разазва Джулиани. "Не стават за изучаване." Като цяло това означава, че продължава "целият този дебат относно водещата причина за кимберлитния магматизъм", коментира Филип Джани (Philip Janney), геохимик от Университета в Кейптаун в Южна Африка.

Изчезнали ли са кимбърлитите?

За да изградят картина на поведението и потенциалния произход на тези вулканични изригвания, Гернън и колегите му са изследвали през последните няколко десетилетия и диамантени мини, и недиамантени минерали, и химията, свързани с кимбърлитите. Това, което се разбра със сигурност е, че те идват от дълбините на мантията, древни са и са пълни с различни форми на въглерод.

И тогава се появи най-изненадващото откритие. Тъй като все повече кимбърлити се датират, става ясно, че изригванията не се случват непрекъснато.

"Кимбърлитите пулсират във времето“, разказва Пиърсън. Имало е пик в такива изригвания преди около 500 милиона години. След това още един преди 370 милиона години. После още един по времето на господството на динозаврите  - преди около 100 млн години. Но между тези огнени епизоди кимберлитният вулканизъм е бил рядкост.

Интервалите на тези еруптивни епохи на пръв поглед изглеждат странни. Но геолозите намират ред в този хаос: кимберлитовите фойерверки съвпадат с разпадането на континенти, включително суперконтиненти, като Пангея, по която са бродили динозаврите.

Може би някои биха си помислили, че раните, които се отварят, когато континентите се разкъсват, може да са създали пътища през вътрешностите на Земята, които кимбърлитите да са използвали.

Но тази хипотеза има проблем. Почти всички кимбърлити се намират в кратони, колосалните ядра на континенти с дебелина 200 километра, които не се засягат от подобни разломи. Кратоните са на няколко милиарда години. Дори когато суперконтинентите се разчупват, тези ядра остават непокътнати. Това означаваше, че кимберлитовите магми избират най-дебелите, най-трудните части на континентите, за да пробият – пътя на най-голяма съпротива – нещо, което повечето еруптивни активности избягват.

Диамант върху кимберлит от Южноафриканска република. Кредит: Wikimedia Commons

Това изглежда е невъзможно за обяснение – до миналата година, когато докато сравняват появата на кимбърлитите с времето на различни континентални фрагментации, Гернън и колегите му осъзнават, че кимберлитните изригвания не се случват веднага след появата на пукнатини, повечето изригват около 26 милиона години по-късно. И докато някои експлодират близо до новите разцепвания на континента, повечето се появяват в плътната вътрешност на континентите.

Гернън и неговият екип включват тези идеи в компютърна симулация на тектоничните плочи на Земята, достатъчно усъвършенствана, за да пресъздаде автентично как движещите се плочи предизвикват приливи и отливи в мантията отдолу в елегантна каскада. Техните резултати обясняват откъде кимбърлитите получават въглерода, който им позволява да изригват толкова яростно и – най-важното – как и защо пробиват кратоните.

"Когато се разтегне континент, се създава празно пространство под него и всякакви горещи неща избликват нагоре, за да запълнят това пространство", разказва Гернън. Това повдигане причинява завихрящи се бури от течни скали в долната, по-гъвкава част на мантията. Тази първа буря, под мястото на разрива, създава друга нестабилност до нея, след това още една и още една, разхлабвайки здравия кратон. "Това е като верижна реакция", обяснява Гернън. "Тогава разбрахме, че сме на прав път".

Тези водовъртежи разяждат скалистото дъно на континента, отнасяйки част от неговите напоени с вода скали. В основата на вътрешността на континента има изобилие от богати на въглерод скали. И тук, на такава голяма дълбочина в мантията, средата с изключително високо налягане ги преработва така, че да произведе първата богата на въглерод партида кимберлитови магми.

Когато се направят достатъчно количество, те излитат нагоре през сдъвканото континентално ядро, създавайки ослепителен набор от кимберлитни изригвания приблизително 26 милиона години след като континентът е започнал да се разкъсва.

Гернън не обича да нарича тази работа "откритие".

Но може би няма по-добър начин да се обобщи статията на неговия екип, публикувана в Nature миналата година, която независимите учени приемат с ентусиазъм.

"Мисля, че това ще позволи да се състави универсална картина [за произхода на кимбърлитите]", смята Ръсел.

Още по-ново изригване на кимбърлит

Но историята може да не свършва дотук. Дълго време най-младият известен кимбърлит бе един на около 30 милиона години.

Но през 2012 г. учените изследват поредица от разрушени вулканични скали и малки конуси в Танзания, включващи три еруптивни места, известни като вулканите Игуиси Хилс. Никой не се е разравял под повърхността или е надникнал в кората, използвайки проникващите в земята сеизмични вълни. Но когато го извършват, учените откриват, че химическият състав на лавите тук е безпогрешно кимберлитов. А някои от вулканичните скали са датирани преди около 10 000 години.

Така хълмовете Игуиси се превръщат в най-младите кимберлитови вулкани на Земята – шокиращо млади, родени в геоложкия еквивалент на "току-що". Това обърка изследователите, тъй като светът в момента е тектонично спокоен. Не сме в период на суперконтинентално унищожение.

Вулканът Igwisi Hills (IHV). Кредит: DOI:10.30909/vol.03.01.69182

Но това откритие е в съответствие с историята на произхода на кимбърлитите, разказана от екипа на Гернън. Танзания е разположена върху кратон и също е повлияна от Източноафриканския рифт, масивно разкъсване между две разделящи се тектонични плочи, започнало преди 25 милиона години. Това означава, че вулканите Игуиси Хилс може да представляват прелюдия към нова ера на кимберлитов вулканизъм в този регион. "Изглежда добър тест на модела", коментира доволен Гернън.

Може би един ден някой, който се разхожда по бреговете на Източна Африка, ще види огнен фонтан да изригва далеч навътре, осветявайки нощното небе. Диамантите, хванати милиарди години дълбоко под земята, ще се разпръснат наоколо. И учените ще гледат със страхопочитание, чудейки се какви нови тайни е решила да разкрие планетата.

Справка:

Brown R J, Manya S, Buisman I, Fontana G, Field M, Mac Niocaill C, Sparks R S J, Stuart F M, 2012. Eruption of kimberlite magmas: physical volcanology, geomorphology and age of the youngest kimberlitic volcanoes known on earth (the Upper Pleistocene/Holocene Igwisi Hills volcanoes, Tanzania). Bull Volcanol, 74: 1621-1643. https://doi.org/10.1007/s00445-012-0619-8

Gernon, T.M., Jones, S.M., Brune, S. et al. Rift-induced disruption of cratonic keels drives kimberlite volcanism. Nature 620, 344–350 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06193-3

Източник: Why supersonic, diamond-spewing volcanoes might be coming back to life, New Scientist

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !