Phát hiện 2 viên kim cương chứa "điều không thể"

Một cặp kim cương hình thành sâu hàng trăm km trong lớp manti mềm dẻo của Trái Đất vừa được phát hiện chứa các đốm vật liệu hình thành trong những môi trường hóa học hoàn toàn đối lập — một sự kết hợp bất thường đến mức các nhà nghiên cứu nghĩ rằng sự cùng tồn tại của chúng là "hầu như không thể." Sự hiện diện của các chất này cung cấp một cái nhìn sâu sắc về các diễn biến hóa học của manti và các phản ứng tạo ra kim cương.

Sự tồn tại "bất khả thi"

Hai mẫu kim cương này được tìm thấy trong một mỏ ở Nam Phi. Giống như nhiều loại đá quý khác, chúng chứa thứ gọi là bao thể ( inclusions ) — những mảnh đá nhỏ xíu xung quanh bị giữ lại khi kim cương hình thành. Những bao thể này bị hầu hết các thợ kim hoàn ghét bỏ nhưng lại là một nguồn thông tin thú vị cho các nhà khoa học. Điều này đặc biệt đúng khi kim cương hình thành sâu trong manti không thể tiếp cận, vì chúng mang các bao thể này lên bề mặt về cơ bản là không bị xáo trộn — đây là cách duy nhất để các khoáng chất đó có thể nổi lên hàng trăm km mà không bị thay đổi so với trạng thái ban đầu ở manti sâu.

Trong hai viên kim cương đặc biệt này, mỗi mẫu đều chứa các bao thể của các khoáng vật cacbonat giàu nguyên tử oxy (một trạng thái được gọi là bị oxy hóa ) và hợp kim niken nghèo oxy (một trạng thái được gọi là bị khử , theo thuật ngữ hóa học). Giống như cách axit và bazơ ngay lập tức phản ứng để tạo thành nước và muối, các khoáng vật cacbonat bị oxy hóa và các kim loại bị khử không cùng tồn tại lâu. Thông thường, các bao thể kim cương chỉ cho thấy một trong hai, vì vậy sự hiện diện của cả hai đã làm Yaakov Weiss, một giảng viên cao cấp về khoa học Trái Đất tại Đại học Hebrew Jerusalem, và các đồng nghiệp của ông bối rối — đến mức ban đầu họ đã đặt các mẫu sang một bên trong một năm vì khó hiểu, ông nói.

Nhưng khi phân tích lại kim cương, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng các bao thể đã ghi lại một "khoảnh khắc" của phản ứng tạo ra những viên đá lấp lánh và lần đầu tiên xác nhận rằng kim cương có thể hình thành khi các khoáng vật cacbonat và kim loại bị khử trong manti phản ứng. Các mẫu mới này là lần đầu tiên các nhà khoa học nhìn thấy điểm giữa của phản ứng đó được ghi lại trong một viên kim cương tự nhiên.

Weiss, tác giả chính của nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Geoscience , cho biết: "Về cơ bản, đó là hai thái cực của phổ [oxy hóa]."

Ý nghĩa của nghiên cứu

Phát hiện này có ý nghĩa đối với những gì nằm ở tầng giữa bí ẩn của manti. Khi bạn đi sâu hơn vào Trái Đất, xa bề mặt, đá và khoáng chất ngày càng trở nên bị khử, với số lượng phân tử oxy ngày càng ít, nhưng có rất ít bằng chứng trực tiếp về sự dịch chuyển này trong manti.

Các tính toán lý thuyết đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu một khái niệm về cách hành tinh chuyển từ trạng thái oxy hóa sang bị khử theo độ sâu. Maya Kopylova, một giáo sư khoa học Trái Đất, đại dương và khí quyển tại Đại học British Columbia, người không tham gia vào nghiên cứu mới nhưng đã viết một bài xã luận kèm theo bài báo, cho biết: "Chúng tôi đã biết về sự khử đó với một số dữ liệu thực nghiệm, với các mẫu thực tế xuống có lẽ 200 km." Bà nói: "Những gì xảy ra bên dưới 200 km [chỉ là] ý tưởng của chúng tôi, mô hình của chúng tôi, vì rất khó để lấy được vật liệu." Bà cho biết chỉ có một vài mẫu từ bên dưới độ sâu này.

Các mẫu mới này, đến từ độ sâu từ 280 đến 470 km bên dưới bề mặt Trái Đất, cung cấp lần kiểm chứng thực tế đầu tiên về hóa học manti lý thuyết này. Weiss cho biết một phát hiện là vật liệu nóng chảy bị oxy hóa tồn tại sâu hơn dự kiến. Đá kimberlite, loại đá phun trào mang kim cương lên bề mặt, bị oxy hóa, vì vậy các nhà nghiên cứu đã nghĩ rằng chúng không thể có nguồn gốc sâu hơn nhiều so với 300 km. Nhưng những phát hiện này cho thấy đá bị oxy hóa xảy ra sâu hơn thế — và do đó đá kimberlite cũng có thể như vậy.

Weiss nói rằng các phản ứng tạo kim cương có khả năng xảy ra khi các chất lỏng cacbonat bị kéo xuống bởi các mảng kiến tạo hút chìm, mang các khoáng chất giàu oxy tiếp xúc với các hợp kim kim loại của manti. (Một cách khác mà các nhà hóa học nghĩ rằng kim cương có thể hình thành là bằng cách kết tủa từ các chất lỏng giàu carbon nguội đi khi chúng nổi lên trong manti, giống như đường kết tinh từ si-rô. Bài báo mới không loại trừ quá trình đó cũng đang xảy ra.)

Các bao thể giàu niken cũng có thể giúp giải thích một hiện tượng kỳ lạ trong một số kim cương: thỉnh thoảng các nguyên tử niken dường như thay thế carbon trong mạng lưới tinh thể của những viên kim cương này. Kopylova nói rằng đó là một bí ẩn, bởi vì niken nặng hơn carbon rất nhiều nên không thể dễ dàng hoán đổi vào cấu trúc tinh thể. Bà nói: "Bây giờ, nhìn vào những dữ liệu này, tôi thấy rằng đó có thể chỉ là một dấu hiệu của sự hình thành kim cương ở độ sâu nhất định. "Điều đó sẽ rất thú vị để nghiên cứu thêm."