Геохіміки проаналізували алмази, які сформувалися в перехідній зоні між нижньою і верхньою мантією на глибині від 410 до 660 кілометрів близько 500 мільйонів років тому. Виявилося, що ізотопний склад елементів у включеннях в алмази сильно змінюється від зразка до зразка. Причому, співвідношення гелію-3 до гелію-4 більше в кристалах, в яких загальна концентрація гелію вища. За словами авторів, це доводить існування стародавнього геохімічного резервуара, який проникає в перехідну зону і там перемішується, призводячи до неоднорідності складу океанічних базальтів. Дослідження опубліковано в журналі.
Для розуміння еволюції нашої планети, важливо знати, чи збереглися геохімічні резервуари з часів ранньої Землі, де вони знаходяться і як взаємодіють один з одним. Розібратися в цьому вченим допомагають дослідження ізотопного складу елементів гірських порід.
Співвідношення ізотопів може багато чого розповісти про історію мінералу, його походження і вік. У процесі численних фазових переходів при формуванні Землі, ізотопи одного і того ж елемента розподілялися по-різному. Легші переходили в рідку фазу, а важкі - в тверду.
До припущень про структуру мантії в цілому призводять дослідження ізотопного складу гелію. В основному цей газ на Землі утворюється в результаті альфа-розпаду радіоактивних елементів, але незначна його частина потрапила з космічним пилом під час формування планети. Такий древній газ збагачений ізотопом гелію-3. Безпосередньо з базальтових відкладень співвідношення ізотопів цього елемента визначити досить складно через заважаючі впливи порід мінералів.
Про природу зон нижньої мантії судять за складом включень у відносно інертні до змін навколишніх умов сублітосферні алмази, які формуються в перехідній зоні між верхньою і нижньою мантією (шар Голіцина) і викидаються при виверженнях. Оскільки, утворюючись, кристали захоплюють у грати субмікронні включення, а дифузія гелію в алмазах відбувається дуже повільно, за ізотопним складом цього елемента в них можна зробити висновки про процеси в нижніх шарах мантії.
Сюзетт Тіммерман (Suzette Timmerman) з колегами з Австралійського національного університету вивчили 24 алмази (від 1,3 до 6 міліметрів) з кімберлітових трубок і річки в районі Джуїна в Бразилії. Визначивши за структурою і складом мінеральних включень, що алмази дійсно мають сублітосферну природу, автори проаналізували рідкі включення в кристали на ізотопний склад гелію і деяких характерних металів.
Дослідники зчистили до 30 мікрон верхнього шару алмазів, щоб виключити забруднення гелієм-4, який потрапив з навколишнього алмази середовища (мантії або кімберліту), і обробили їх сумішшю кислот при температурі 110 градусів Цельсія. За допомогою мас-спектрометрії з індуктивно-пов'язаною плазмою автори отримали дані про ізотопний склад елементів алмазів.
Виявилося, що вміст легкого ізотопу гелію-3 по відношенню до важкого гелію-4 набагато перевищує спостерігається в океанічних базальтах на Землі. Це доводить, що ресурс гелію з високим вмістом гелію-3 знаходиться в мантії на глибині більше 410 кілометрів під землею. Різниця у співвідношенні ізотопів стронцію, свинцю і вуглецю, від зразка до зразка пов'язана з тим, що шар Голіцина, очевидно, дуже неоднорідний. Автори вважають, що океанічні базальти формувалися з висхідних мантійних плюмів, які і захопили з собою і перемішали частину матерії з цього гетерогенного резервуара - перехідної зони.
Характеристичний ізотопний склад досліджуваних алмазів підтверджує здогадки вчених про те, що цей газ залишився ще з часів, коли Земля і Місяць зіткнулися, або навіть раніше.
Існують й інші припущення про те, чому первинний гелій зберігся на Землі. Фізики з Китаю і США припустили, що в жорстких умовах надр Землі гелій зв'язався з діоксидом заліза, який не дозволив легкому газу зникнув з нашої планети.