Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Не довольствуясь этими интригующими предсказаниями, большинство геофизиков хотят экспериментальных доказательств — подтверждений, которые требуют рентгеноструктурного анализа в, казалось бы, невозможных экстремальных условиях. Технические достижения, позволяющие осуществить такое исследование, поразительны. В 1970-х и 1980-х гг. в наших передовых методах использовались «большие» кристаллы — 0,02 см в поперечнике, простая DAC Меррилла — Бассета и стандартный источник рентгеновских лучей, который доступен в любой кристаллографической лаборатории. В удачный день мы могли добиться давления 100 000 атм, не разрушив наш образец и не расколов дорогие алмазные наковальни. Эти рентгеновские эксперименты при высоком давлении постепенно становились обыденными, и их начали воспроизводить в десятках лабораторий по всему миру.

С давлением в сотни тысяч атмосфер другая история. Кристаллы должны быть размером менее тысячной доли тех, что я изучал. Более крупные рассыпятся в порошок. Необходимо использовать модель DAC гораздо более высокого уровня, иначе неправильно расположенные алмазы треснут и расколются при таких высоких давлениях. Традиционные рентгеновские лучи также не подходят — они слишком слабые, чтобы можно было получить измеримые рисунки кристалла, который меньше пылинки. Так что ученые вынуждены использовать гигантские, финансируемые государством синхротроны — ускорители частиц, в которых рентгеновские лучи в миллион раз сильнее, чем в традиционных источниках. Но они заняты 24 часа в сутки 7 дней в неделю. Мало кому из ученых удалось преодолеть те строгие ограничения, которые обеспечивают единственно возможный экспериментальный путь к пониманию самых глубинных углеродсодержащих кристаллов Земли. Среди них своими открытиями в науке о глубинном углероде выделяется итальянский минералог и кристаллограф Марко Мерлини из Миланского университета{56}.

Марко Мерлини — скромный ученый, которому гораздо важнее трепет открытия, нежели признание. Он приветливо улыбается, встречая вас, его глаза горят азартом, ученый жаждет показать свою лабораторию и последние результаты. И эти результаты впечатляют. В статье 2012 г., опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, Мерлини с коллегами сообщил о структурах высокого давления доломита — похожего по структуре на кальцит распространенного карбонатного минерала земной коры с равным соотношением кальция и магния{57}.

Если карбонатные минералы существуют в мантии Земли, то доломит — хороший на то кандидат. Работая в Европейском центре синхротронного излучения во французском Гренобле, ученые из группы Мерлини сжали крошечный кристалл доломита до небывалых значений. При давлении свыше 170 000 атм исследователи увидели структуру, которую они назвали «доломит-II» — по аналогии с кальцитом-II Меррилла и Бассета. Но стоило им сжать кристалл до 350 000 атм, как появилась совершенно новая структура — с четырьмя атомами кислорода вокруг нескольких атомов углерода, однако в новой, уплощенной пирамиде. Исследователи назвали ее конфигурацией «3 + 1». Мерлини и его команда продолжили подвергать свой кристалл доломита давлениям до 600 000 атм, но не увидели ни единого признака преобразования его в предполагаемый карбонат с углеродом, окруженным тетраэдром атомов кислорода.

Прорыв произошел в 2015 г., когда группа Мерлини опубликовала описание необыкновенной новой формы карбоната высокого давления, содержащего равные части магния и железа{58}. Эти измерения казались почти невозможными, ведь требовались давления, приближающиеся к 1 млн атм, что соответствует условиям в глубочайших глубинах мантии Земли — более 1000 км под нашими ногами. Исследованием было подтверждено спрогнозированное преобразование плоских карбонатных групп CO₃ в пирамиды CO₄. Однако вместо ожидаемой структуры пироксена с непрерывными цепочками тетраэдров, соединенных углами, ученые обнаружили совершенно новый и неожиданный атомный порядок. У их карбоната под ультравысоким давлением цепочки разбились на сегменты по четыре тетраэдра, разделенные короткими, заполненными железом разрывами, — получилась причудливая плотная структура, не похожая ни на что, виденное ранее.

У открытий Мерлини — далеко идущие последствия. Десятилетия назад общепринятая точка зрения заключалась в том, что при высоком давлении минералы имеют тенденцию образовывать простые структуры — результат необходимой на больших глубинах плотной правильной упаковки атомов. Продолжающиеся же исследования Мерлини и других пионеров минералогии ультравысокого давления показывают иную картину. Структуры высокого давления могут быть сложными, непривычными и зачастую неожиданными. И это хорошие новости для тех из нас, кто увлечен изучением удивительной сложности природы.

Глубинные алмазы {59}