Что скрывают газовые пузырьки в древних минералах

Один из главных парадоксов, с которым сталкиваются специалисты, заключается в существовании сложных органических молекул при температурах, плавящих камень. Данные исследований позволяют ученым предполагать, что углеводороды в магме имеют абиогенную (неорганическую) природу. Они рождаются в ходе естественных химических реакций прямо в газовой фазе расплава.

Магма несет в себе не просто газ, а настоящий коктейль из более чем 300 соединений. Например, из алканов, сложных ароматических структур и даже спиртов, эфиров и кислот. Такие глубинные летучие фактически являются главным средством транспортировки углерода из мантии в земную кору и атмосферу. По мере подъема магмы к поверхности давление падает, газы начинают выделяться из расплава и в конечном итоге выходят через вулканы, где уже вблизи поверхности окисляются, превращаясь в привычные нам углекислый газ и водяной пар.

Именно поэтому вулканы долгое время оставались основным окном для изучения глубинных флюидов — так геологи называют смесь газов и жидкостей, присутствующих в магме. При этом значительная часть органических соединений в магме находится именно в газовой фазе. При высоких температурах и давлениях такие вещества легче переходят в летучее состояние и концентрируются в пузырьках газа внутри расплава.

Из-за этого исследователи в первую очередь анализируют именно газы. Многие видели, как в фильмах ученые наполняют емкости газом, закрывают их, а затем изучают содержимое в лаборатории. Раньше это был практически единственный способ работы с такими флюидами. Проблема заключается в том, что при выходе на поверхность газ уже не сохраняет свой исходный состав. Он взаимодействует с горными породами и грунтовыми водами, а при резком падении давления быстро рассеивается в атмосфере, смешиваясь с воздухом.

Чтобы понять, что именно представляла собой магма на глубине десятков километров, ученые ищут способ обойти искажения, возникающие при выходе газов на поверхность. Таким решением стали своеобразные минеральные черные ящики — включения. По мере охлаждения магмы из расплава начинают формироваться кристаллы, и в этот момент они могут захватывать часть окружающего вещества, сохраняя его состав в неизменном виде. Так оказываются запертыми внутри капли расплава или пузырьки газа — это и есть включения.

Под микроскопом ученые изучают минералы, внутри которых заключены включения — крошечные запечатанные капли древнего расплава или флюида. Внутри таких включений можно увидеть жидкость и пузырьки газа. Иногда эти пузырьки хаотично перемещаются внутри жидкости. Это не магия, а физический эффект Марангони: тепло от лампы микроскопа создает разницу температур на разных сторонах пузырька, меняя поверхностное натяжение жидкости и заставляя газ бегать внутри своей микроскопической тюрьмы. Для ученых это важный признак того, что включение герметично и всё еще находится под давлением, а значит, газ сохранил свой первозданный состав.

Минералы, содержащие включения, позволяют доказать, что углеводороды действительно связаны с магмой, а не попали туда из обычных осадочных пород. Внутри таких минералов сохраняются пузырьки газа и капельки стекла — следы захваченного расплава. Это означает, что минерал кристаллизовался непосредственно в магме.

Долгое время геологи пользовались рамановской спектроскопией. Это метод, при котором в кристалл направляют лазер, а затем анализируют, как молекулы вещества рассеивают его свет. По характеру этого рассеяния можно определить состав газа. Это быстро, удобно и бесплатно, но метод видит только те вещества, которых в пузырьке много. Более того, есть еще один недостаток: под воздействием мощного лазерного луча сложные углеводы могут мгновенно разрушаться, превращаясь в углекислоту, CO2. В итоге редкие и сложные углеводороды, содержание которых может составлять сотые доли процента, для него остаются практически незаметными.

Сибирские ученые применили принципиально новый подход — метод беспиролизной газовой хромато-масс-спектрометрии (ГХ-МС). В отличие от рамановской спектроскопии, этот метод требует разрушения образца. Минерал дробят, чтобы вскрыть включения и высвободить заключенные в них газы. Суть метода заключается в холодном механическом разрушении вещества. Необходимо разбить все пузырьки в потоке инертного газа гелия. Освобожденная смесь газов попадает в хроматографическую колонку, где разные молекулы разделяются в зависимости от их летучести. Датчик «взвешивает» каждую молекулу, определяя отношение ее массы к заряду и времени, за которое молекула долетела до датчика. Это позволяет получить уникальный «отпечаток пальца» каждого из 300 веществ.

В других лабораториях мира образцы часто нагревают, чтобы извлечь газ, но высокая температура сама по себе может изменить состав вещества. Холодное дробление в замкнутой системе позволяет видеть картину максимально четко. Чувствительность прибора позволяет находить соединения в концентрациях 0,0001 мас. %.

Поскольку минералы кристаллизуются непосредственно из магмы и сохраняют сведения о ее составе, их изучение позволяет понять не только происхождение глубинных углеводородов, но и поведение самих магматических систем.

Зачем нам об этом знать? Такие исследования важны для фундаментальной науки. Изучение состава глубинных газов помогает лучше понять устройство нашей планеты и глобальный углеродный цикл. Глобальный круговорот углерода похож на бесконечное путешествие из океана вглубь Земли и обратно на поверхность через жерла вулканов. Начинается всё на морском дне, где из остатков ракушек и панцирей морских существ формируются карбонатные остатки. Тектонические плиты постоянно движутся, и когда одна плита заходит на вторую, она затягивает этот углерод в горячие недра планеты. Там под огромным давлением из осадков выделяются вода и углекислый газ, которые действуют как разжижитель. Они понижают температуру плавления камней, превращая их в жидкую магму. Огненный расплав, насыщенный газами и теми самыми глубинными углеводородами, устремляется вверх и через извержения возвращает углерод обратно в атмосферу, завершая цикл.

Состав газов напрямую зависит от места рождения расплава. В магмах, которые поднимаются из самых глубин мантии, доля органики во флюиде может достигать 92 отн. %. Однако в менее глубоких системах, например, когда расплавы образуются при плавлении мантии, это значение падает до 52 отн. %, зато содержание H2O и CO2 растет. Мантия Земли оказывается огромным резервуаром углеводородов, а магма становится мощным транспортным каналом, который доставляет это вещество в кору. И хотя «магматическая нефть» вряд ли заменит нам привычные месторождения, само открытие меняет наше понимание глобального углеродного цикла.

Исследования могут также нести практическую пользу. Всё дело в безопасности. Именно летучие компоненты определяют характер извержения вулкана.

«Это похоже на бутылку с газировкой. Если вы аккуратно открываете крышку, газ выходит постепенно и напиток остается в бутылке. Но если бутылку потрясти — в природе это быстрый подъем магмы с падением давления, — газы начинают выделяться быстро и лавинообразно. Пузырьки воды и углеводороды мгновенно расширяются, превращая вязкую магму в пену и буквально разрывая гору изнутри», — поделился научный сотрудник ИГМ СО РАН кандидат геолого-минералогических наук Ильдар Рафитович Низаметдинов.

Каждое новое использование метода ГХ-МС — шаг к расшифровке кода нашей планеты.

Источник: Пресс –служба СО РАН («Наука в Сибири»)