(a) ortocarbonato de tetrairón (III) Fe4C3O12 y (b) tetracarbonato de diirón (II) diirón (III) Fe4C4O13, a temperatura ambiente y 74 (1) y 97 (2) GPa, respectivamente. En un), tres prismas bicapados de FeO8 (verde claro) y tres tetraedros de CO4 (marrón) forman un anillo con simetría triple al compartir las esquinas y los bordes. Los anillos forman capas que se apilan a lo largo del eje c. Los prismas de FeO6 (verde oscuro) están conectados por bases triangulares y ubicados en los canales creados por los anillos. En (b), Los prismas bicapados de FeO8 (azul) están conectados en un marco tridimensional por dímeros de prismas monocapitados de FeO7 con bordes compartidos (verde claro) y cadenas de C4O1310 en forma de zigzag (marrón). Crédito:Valerio Cerantola
Examinar las condiciones dentro del interior de la Tierra es crucial no solo para darnos una ventana a la historia de la Tierra, sino también para comprender el entorno actual y su futuro.
Este estudio, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , ofrece una explicación del descenso del carbono a las profundidades de la Tierra. "Las regiones de estabilidad de los carbonatos son clave para comprender el ciclo profundo del carbono y el papel de la Tierra profunda en el ciclo global del carbono". dice Leonid Dubrovinsky, de la Universidad de Bayreuth.
Aquí es donde el ESRF, el Sincrotrón europeo en Grenoble, Francia. entra. "Los intensos rayos X del ESRF nos permiten acceder a las condiciones extremas dentro del manto de la Tierra". subraya Valerio Cerantola, autor principal, ex estudiante de doctorado en la Universidad de Bayreuth y ahora científico postdoctoral en la ESRF.
En el ultimo siglo, el rápido aumento de la cantidad de CO2 en la atmósfera junto con el cambio climático observado han centrado cada vez más la atención de los científicos en el ciclo del carbono y su evolución en la superficie de la Tierra. El ciclo del carbono también se extiende por debajo de la superficie:estimaciones recientes ubican hasta el 90% del presupuesto de carbono de la Tierra en el manto y el núcleo de la Tierra. Debido a la naturaleza dinámica de los movimientos de las placas tectónicas, convección y subducción, hay un reciclaje constante de carbono entre la superficie de la Tierra y su interior profundo.
Valerio Cerantola, autor correspondiente en el laboratorio de alta presión de la línea de luz ESRF ID18. Crédito:ESRF / C.Argoud
En este estudio, el equipo de investigación se centró en las fases de carbonato, que son uno de los principales minerales que contienen carbono en el manto profundo. Los carbonatos son un grupo de minerales que contienen el ion carbonato (CO32-) y un metal, como hierro o magnesio. Los científicos estudiaron el comportamiento de un carbonato de hierro puro, FeCO3 (llamado siderita), en condiciones extremas de temperatura y presión que cubren todo el manto de la Tierra, es decir, más de 2500 K y 100 GPa, que corresponde aproximadamente a un millón de veces la presión atmosférica.
"Este carbonato de hierro es de particular interés debido a su estabilidad en condiciones de manto inferior debido a la transición de espín. Además, la química cristalina de los carbonatos de alta presión es dramáticamente diferente a la de las condiciones ambientales". explica Elena Bykova, de la Universidad de Bayreuth.
Para estudiar la estabilidad de FeCO3, el equipo de investigación realizó experimentos de alta presión y alta temperatura en tres líneas de luz ESRF:ID27, ID18 e ID09a (ahora ID15b). "La combinación de las múltiples técnicas nos dio conjuntos de datos únicos que finalmente nos permitieron descubrir nuevos portadores de C dentro de la Tierra profunda y mostrar el mecanismo detrás de su formación", dice Cerantola. Se llevó a cabo una corrida experimental en la línea de luz 13ID-D en APS.
Valerio Cerantola, autor correspondiente y científico postdoctoral en la ESRF, en la línea de luz de alta presión ESRF ID27. Crédito:ESRF
Al calentar FeCO3 a temperaturas geotérmicas de la Tierra a presiones de hasta aproximadamente 50 GPa, El FeCO3 se disoció parcialmente y formó varios óxidos de hierro. A presiones más altas, por encima de ~ 75 GPa, los científicos descubrieron dos nuevos compuestos:ortocarbonato de tetrairon (III), Fe43 + C3O12, y tetracarbonato de diiron (II) diiron (III), Fe22 + Fe23 + C4O13 (Figura 1). ?
"Hubo algunas predicciones teóricas, pero hasta ahora la información experimental sobre las estructuras de los carbonatos de alta presión ha sido demasiado limitada (y de hecho controvertida) para especular sobre la química de los cristales de carbonato. Nuestros datos muestran que si bien la estructura cristalina de Fe22 + Fe23 + C4O13 se puede encontrar en silicatos, no se encuentran análogos de Fe43 + C3O12 en la naturaleza ”, subraya Bykova.
También descubrieron que una fase, el tetracarbonato Fe4C4O13, muestra una estabilidad estructural sin precedentes y mantiene su estructura incluso a presiones a lo largo de toda la geotermia a profundidades de al menos 2500 km, que está cerca del límite entre el manto y el núcleo. ¿Demostró así que las reacciones de autooxidación-reducción pueden preservar los carbonatos en el manto inferior de la Tierra? (Figura 1, a y B). "El estudio muestra la importancia de las reacciones de oxidación y reducción (redox) en el ciclo profundo del carbono, que están inevitablemente vinculados a otros ciclos volátiles como el oxígeno ", subraya Catherine McCammon, de la Universidad de Bayreuth.
