Las altas temperaturas y presiones del manto de la Tierra forjan minerales ricos en carbono conocidos como carbonatos en diamantes. Pero se sabe menos sobre el destino de los carbonatos que viajan aún más bajo tierra, profundidades de las que nunca se ha recuperado ninguna muestra.

Ahora, Susannah Dorfman, de la Universidad Estatal de Michigan, y su equipo están desenterrando una respuesta con herramientas de laboratorio que imitan estas condiciones extremas.

"Lo que nos interesaba es ¿Cuándo no es el carbono el diamante? ", añadió Dorfman. En un artículo publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza , Los científicos del Laboratorio de Mineralogía Experimental de Dorfman en MSU redefinieron las condiciones bajo las cuales los carbonatos pueden existir en el manto inferior de la tierra, ampliando nuestra comprensión del ciclo profundo del carbono y la evolución de la Tierra.

"La circulación de carbono y minerales desde la superficie de la Tierra a través de la subducción hasta la base del manto de la Tierra ha estado ocurriendo durante miles de millones de años, "dijo Dorfman, profesor asistente en el Departamento de Ciencias de la Tierra y el Medio Ambiente, o EES, en la Facultad de Ciencias Naturales y coautor del artículo. "Nuestro laboratorio pregunta, '¿Cómo podemos usar experimentos para predecir cómo se ve y seguirlo químicamente?' "

Durante la subducción, los carbonatos de la superficie (piense en los esqueletos de piedra caliza y coral) se montan en frías losas de roca que se sumergen bajo la corteza terrestre mediante un movimiento tectónico impulsado por el calor del manto. Algunos carbonatos se derriten y los volcanes los devuelven a la atmósfera. Algunos viajan más abajo y se presionan en diamantes.

Pero algunos carbonatos lo hacen aún más profundo, hacia el límite entre el manto y el núcleo del planeta casi 1, 800 millas debajo de la superficie. El equipo de Dorfman estaba interesado en conocer su destino. La investigación anterior del equipo mostró que algunos carbonatos podrían escapar de ser derretidos o convertidos en diamantes en una atmósfera caliente. entorno pobre en oxígeno como el límite entre el núcleo y el manto, pero nadie sabía qué forma tomarían en una roca real hasta ahora.

En el estudio, Dorfman y la coautora Mingda Lv, un estudiante de doctorado de quinto año de EES, llevó a cabo experimentos muy complejos para sintetizar la roca del manto e iluminar el destino de esos carbonatos profundamente subducidos por primera vez.

"Para este proyecto, Queríamos saber cómo coexistiría el carbonato con la mayoría de los silicatos del manto cuando se subduzca al manto inferior, "Lv dijo." Diseñamos los experimentos para extender las condiciones de presión y temperatura en estos minerales a regímenes altos, simulando las condiciones en el límite entre el núcleo y el manto de la Tierra ".

Sus experimentos requirieron un dispositivo hecho de material con la tolerancia a la presión más alta de cualquier sustancia en la Tierra:diamantes.

"La celda del yunque de diamante, aunque sea algo que puedas sostener en tu mano, nos brinda las presiones más altas en cualquier laboratorio sin usar explosiones, ", Dijo Dorfman." Todo lo que sabemos sobre lo que sucede en el centro de los planetas depende de este dispositivo ".

Dorfman y Lv ensamblaron con éxito discos delgados de carbonato y silicato como un sándwich entre los dos diamantes de la celda del yunque del diamante. Luego, apretaron los discos juntos como un panini mineral y usaron potentes láseres para calentarlos a temperaturas elevadas de hasta 4, 500 F.

El resultado fue algo que nadie pensó posible, una forma sintetizada de roca de carbonato de calcio altamente presurizada que podría existir en las condiciones del manto inferior.

"Antes de este estudio, la idea era que nunca debería haber carbonato de calcio en las profundidades de la tierra, pero solo en un entorno poco profundo donde no ha llegado a grandes profundidades, ", Dijo Dorfman." Nuestros experimentos muestran que hacia la base del manto, la reacción química cambia de dirección e intercambia minerales como compañeros en el baile cuadrado:el magnesio y el calcio intercambian sus compañeros de carbonato y silicato produciendo carbonato de calcio y carbonato de magnesio ".

El tamaño de su roca recién sintetizada era solo el ancho de un cabello humano, y los cristales individuales que componen la roca fueron hasta 1, 000 veces más pequeño. Para leer entre los diamantes, Dorfman y Lv necesitaban el cuchillo más afilado y la luz más brillante que pudieran encontrar.

Utilizaron la extremadamente poderosa tecnología de acelerador de partículas en el Argonne National Lab en Illinois para enfocar la luz de rayos X en un punto diminuto e iluminar lo que habían creado. Luego, con la ayuda de colaboradores del Instituto de Física de la Tierra de París y el Centro de Caracterización de Materiales de la Universidad de Michigan, utilizaron haces de iones para cortar la nueva roca en secciones transversales.

Finalmente, utilizando las técnicas de microscopía electrónica de última generación en el Centro de Microscopía Avanzada de MSU, caracterizaron con éxito la distribución elemental de sus muestras recuperadas.

"Sin estos laboratorios, nunca hubiéramos podido observar directamente lo que está sucediendo en nuestros experimentos, ", Dijo Lv." Nuestra colaboración con estas instalaciones es un punto culminante del estudio ".

"Sabemos que una gran mayoría del carbono de la tierra no está en la atmósfera, está en el interior, pero nuestra conjetura sobre cuánto y dónde depende principalmente de las mediciones de reacciones químicas, Dorfman añadió. "El trabajo de Mingda Lv muestra que el carbonato de calcio puede ser estable en condiciones de manto y proporciona un nuevo mecanismo a tener en cuenta cuando hacemos modelos del ciclo del carbono dentro de la tierra".