• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
281
Научный «спецназ» на глубине 2 тысячи километров под Землей
Науки о Земле

Научный «спецназ» на глубине 2 тысячи километров под Землей

Можно ли работать на глубине более 2 тыс. км под землей, где давление достигает 500 тыс. атмосфер, а температура – 2000 °C?

Ученые лаборатории экспериментального исследования вещества при сверхвысоких давлениях Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН делают это с помощью уникального оборудования, которое позволяет им «проникнуть» в нижнюю мантию Земли и описать протекающие там процессы.

В своем интервью журналу «НАУКА из первых рук» аспирант Артем Чанышев рассказал о том, как его «нашел» научный руководитель, о своей работе в лаборатории и о том, почему так важно, чтобы заведующий лабораторией был не только успешным ученым, но и талантливым «менеджером»

Эксперимент по «глубинному» моделированию – тонкая работа

Прямым источником информации о составе глубинного земного вещества являются включения в таких минералах, как алмаз, гранат и оливин. Эти кристаллы попадают на поверхность планеты благодаря особым геологическим телам – кимберлитовым трубкам, которые образовались, когда огромная горячая масса мантийного вещества (плюм) вырвалась из недр Земли наружу. Сейчас мы можем экспериментальным путем определить условия формирования и поведение веществ, составляющих мантию Земли, – на оборудовании, созданном для выращивания искусственных драгоценных камней.

Лаборатория экспериментального исследования вещества при сверхвысоких давлениях ИГМ им. В.С. Соболева СО РАН, созданная в рамках мегагранта, объединила ученых-геохимиков Сибирского отделения и их коллег из японского университета Тохоку. Главные задачи лаборатории – представить общую картину строения Земли, описать основные процессы, протекающие в верхней и нижней мантии, и приблизиться к пониманию состава и поведения вещества во внутреннем ядре.

Артем Чанышев – аспирант, сотрудник лаборатории экспериментального исследования вещества при сверхвысоких давлениях Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН

Проект Министерства образования и науки РФ № 14.B25.31.0032 «Экспериментальное исследование вещества при сверхвысоких давлениях и создание согласованной термодинамической модели глубинного строения Земли»

Для экспериментов были приобретены созданный в Японии многопуансонный гидравлический пресс, уникальный для России, и пресс «поршень-цилиндр». Вообще подобные прессы используются в мире для самых разных целей, включая получение новых материалов при сверхвысоких давлениях, изучение поведения веществ в экстремальных условиях, выращивание алмазов. Наши задачи более идеологические – мы хотим понять, как ведут себя вещества в мантии Земли.

Благодаря этой технике мы можем проводить исследования в области давлений от 0,5 до 50 ГПа (5000—500000 атмосфер), соответствующей давлению в глубинах Земли от литосферы до нижней мантии. К сожалению, до ядра пока «дотянуться» не можем. Но чтобы изучить поведение вещества на нужных нам глубинах, его недостаточно просто сдавливать, даже до критических значений. Необходимо еще нагреть его до соответствующих мантийных температур. Многопуансонный пресс позволяет это делать – максимальное значение, которого мы достигли в экспериментах, составило 2 000°С.

Кубические пуансоны второй ступени со срезанными вершинами, выполненные из карбида вольфрама

В Институте геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН работают и на прессах собственного производства. Например, в Лаборатории экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса используют уникальную аппаратуру высоких давлений БАРС (Беспрессовый Аппарат Разрезная Сфера). На установке выращивают крупные кристаллы алмазов по разработанному здесь же в лаборатории комплексу оригинальных методов

Высота многопуансонного пресса – 3,5 м, вес – более 6 т, а вещество, которое мы помещаем в ячейку, занимает объем всего около 10 мм3! Процесс «закладки» протекает следующим образом. После больших стальных пуансонов первой ступени укладываются кубические пуансоны второй ступени со срезанными вершинами, выполненные из карбида вольфрама. В образующуюся октаэдрическую полость помещается экспериментальная ячейка из оксида циркония с цилиндрическим нагревателем из графита, в которую вставляется капсула из платины или графита. В капсуле и находится исследуемое вещество. В одну капсулу можно поместить и одновременно изучить до 16 разных образцов, которые представляют собой смеси силикатов, карбонатов и алюмосиликатов.

Провести эксперимент на многопуансонном прессе – тонкая работа. Необходимые для этого крошечные детали, как простой цилиндрической формы, так и сложной пирамидальной, изготавливаются здесь же – лаборатория оборудована фрезеровальным 3D-станком, токарными станками, отрезными станками с алмазными нитями и дисками

Провести такой эксперимент – тонкая работа. Необходимые для этого крошечные детали, как простой цилиндрической формы, так и сложной пирамидальной, мы делаем сами – лаборатория оборудована фрезеровальным 3D-станком, токарными станками, отрезными станками с алмазными нитями и дисками. Научиться самостоятельно изготавливать детали экспериментальной ячейки – одна из первых задач, которая ставится перед нашими студентами и аспирантами. Так как качество комплектующих непосредственно отражается на успехе эксперимента, мы стремимся к идеальным размерам и формам каждого изделия. Детали для своих экспериментов я делаю самостоятельно.

Используя аналитическую базу института, мы изучаем «продукты» наших опытов методами рамановской, ИК-спектроскопии и электронной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа. В результате можно определить, что получилось «на выходе» – в моих экспериментах чаще всего этот графит или аморфный углерод. Затем эти образцы отправляются нашим коллегам в японский университет Тохоку для исследования методом MALDI (матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация), которая определяет степень полимеризации стартовых материалов.

Spring-8 – ускорительный комплекс, источник синхротронного излучения третьего поколения с энергией 8 ГэВ, расположенный в префектуре Хёго, Япония

А чтобы получать данные о веществе непосредственно в ходе эксперимента, отправляемся в Японию в центр синхротронного излучения SPring-8, где такой же многопуансонный пресс поставлен под пучок синхротронного излучения. Используя дифрактограмму, мы видим, когда произошли фазовые переходы, проследить за ходом процессов плавления и разложения–камера выводит изображение прямо на экран.

Ускорительный комплекс Spring-8 вид сверху

Лазер на свободных электронах Института ядерной физики СО РАН мы, к сожалению, используем редко, так как пресс у нас один, и он стоит в лаборатории нашего института.

Углеводороды «под прессом»

Я изучаю поведение тяжелых углеводородов в мантии Земли при высоких давлениях и температурах. Это актуальная задача в современной петрологии, поскольку присутствие летучих компонентов в геологических системах, даже в небольших количествах, может приводить к резким изменениям условий плавления, массопереноса и многих других, не менее важных физико-химических свойств мантийного вещества. Эти изменения так или иначе влияют на крупномасштабные геологические процессы – образование плюмов, конвекцию в мантии, движение континентов, вулканизм, землетрясения, горообразование и формирование рудных месторождений.

Природный флюид – это надкритическая гидротермальная фаза, сложенная смесью главным образом Н2О и СО2 с примесями СО, N2, H2, а также СН4 и других углеводородов. Эта фаза способна переносить и отлагать химические элементы, растворяться в магматических расплавах, на порядки увеличивая скорости протекания геологических процессов

Углерод, преимущественно в виде карбонатов, погружается в мантию в зонах субдукции, где происходит опускание литосферных плит. Обратно на земную поверхность он выходит в виде углекислого газа в зонах срединно-океанических хребтов и вулканических островов. Как при этом меняется степень окисления углерода, какова его роль в мантийных процессах – все это до конца неразрешенные вопросы. В настоящее время известно только, что поведение углерода в мантии контролируется окислительно-восстановительными условиями.

Судя по последним данным, в глубинном флюиде в условиях верхней мантии углерод присутствует в восстановленной форме в виде углеводородов. Как уже говорилось, единственный прямой источник информации о мантийных процессах – это включения в минералах, найденных в обломках породы из кимберлитов. Не часто, но в этих минералах находят и тяжелые углеводороды: с конца XX в. появляются статьи о находках в этих минералах первичных включений полиароматических углеводородов.

Изменение дифрактограмм нафталина C₁₀H₈ с ростом температуры при давлении около 7 ГПа. При 7 ГПа и 700 °C (973 K) нафталин полностью разложился с образованием аморфного графита (002G пик)

Полициклические ароматические углеводороды встречаются в межзвездном пространстве и в составе планет-гигантов и их спутников. В космическом пространстве они образуются в результате ударной консолидации углеродсодержащего вещества либо в диффузном межзвездном газе в ходе нейтральных реакций без участия заряженных ионов

Состав полиароматических углеводородов достаточно однообразен в разных образцах и включает нафталин, пирен, фенантрен, и бензопирен. Наша задача – понять, когда и как они там образовались, и насколько они стабильны в условиях, в которых образуются алмазы.

Предполагается, что качественный состав первичных включений, которые захватывает кристалл во время своего роста (при давлении 6—8 ГПа и температуре ~ 1300—1500 °С), соответствует составу вещества мантии на то время, когда эти включения формировались. Однако в наших экспериментах мы обнаружили, что при давлениях 7—8 ГПа полиароматические углеводороды стабильны в относительно узком температурном диапазоне (600—700°С), который лежит ниже области формирования природных алмазов. Поэтому углеводороды из кристаллов кимберлитных образцов являются не первичной, а вторичной, «дочерней» фазой, которая образовалась уже после извержения кимберлита в постмагматическом процессе или при выносе минералов на поверхность (Chanyshev et al.,2015).

Сравнение параметров стабильности полиароматических углеводородов с Р-Т профилями в верхней мантии Земли показало, что температуры устойчивости ПАУ не превышают 800°С при давлении 7—8 ГПа, т.е. существенно ниже известных геотерм и области формирования природных алмазов. Следовательно, включения ПАУ не отражают первичный состав захваченного флюида. Образование этих сложных углеводородов могло происходить в процессе поликонденсации при снижении давления и температуры за счет диссоциации первичных метановых включений или включений, содержащих другие легкие углеводороды в жидком или газообразном состоянии.  На схеме изображены кривые плавления и разложения бензола (Б) (Ciabini et al., 2005) и нафталина (Н) (Akella, Kennedy, 1970); фиолетовым прямоугольником отмечена область разложения углеводородов

Результаты подобных экспериментов представляют интерес не только для геохимиков, но и для исследователей из других научных дисциплин. Например, мы обнаружили, что при давлении 7—8 ГПа и температуре 500 °С полиароматические углеводороды полимеризуются с образованием гигантских молекул с атомной массой 5000 а.е.м. Эти результаты, опубликованные в журнале Carbon, должны заинтересовать специалистов в области химии высокого давления.

Распределение в научный «спецназ»
После окончания ФМШ я выбирал между тремя факультетами Новосибирского государственного университета: геолого-геофизическим, механико-математическим и естественных наук. Выбирая факультет, абитуриенты часто опираются на опыт студентов-старшекурсников. Когда ты учишься в ФМШ – это легко. Точно помню, что на мехмат я не пошел потому, что все математики, которых я знал, работали не по специальности. Я так не хотел. С геологией же все было более-менее понятно: многие выпускники поступали в нефтесервисные компании – в этом я видел не только возможность хорошо зарабатывать деньги, но и работать по профессии.
На втором курсе я попал на работу в лабораторию геодинамики и магматизма ИГМ СО РАН, где я занялся изучением природных образцов кристаллических сланцев Енисейского кряжа. Но уже к четвертому курсу понял, что хочу заниматься чем-то другим. Получив красный диплом бакалавра, я совсем уже было собрался ехать в Москву поступать в Российский государственный университет нефти и газа или на геологический факультет в МГУ. Но судьба готовила мне совсем другое.
На нашей защите присутствовал д.г.-м.н. К.Д.Литасов, который заинтересовался моей работой. На тот момент Константин Дмитриевич работал в должности доцента в японском университете Тохоку, и как раз собирался подать заявку на мегагрант для создания собственной лаборатории в Новосибирске. Он и предложил мне заняться экспериментальными исследованиями стабильности углеводородов – вступить в команду «научного спецназа». Теоретическая часть работы выполнялась в России, а практическая – в Японии и Америке. В то время у него не было ни помещения, ни оборудования. Все это немного смахивало на авантюру, но была уверенность в успехе. Через полгода после нашего знакомства я летел в Японию ставить эксперименты.
Благодаря опыту работы за границей наш руководитель аккумулировал все лучшее и применил это в создании нашей лаборатории. В некотором отношении она даже выигрывает по сравнению с заграничными аналогами: например, в Тохоку много времени уходит на подготовку эксперимента, так как все части «технологической цепочки» (мастерская, место подготовки образцов и прессовый зал) располагаются в разных помещениях. В этом смысле лаборатория экспериментального исследования вещества при сверхвысоких давлениях ИГМ СО РАН – это пример не только высокого технологического уровня, но и простого удобства. Важно и то, что Константин Дмитриевич не считает, что ученый может и должен заниматься только наукой: сам он умеет руководить, и делает это легко и эффективно.
В моих ближайших планах – защитить кандидатскую диссертацию. А затем планирую продолжить исследования глубинного цикла углерода. Экспериментальная петрология постоянно развивается, а значит, появляются новые задачи. В планах нашей лаборатории – увеличить аппаратную базу, освоить метод изучения вещества в алмазных ячейках с лазерным нагревом. Благодаря этому мы сможем изучать вещество Земли при гигантских (больше 100 ГПа) давлениях и температурах свыше 3000—4000 °C. То есть вплотную «подойти» к планетному ядру

Подготовила Татьяна Морозова

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments