Geologové předpokládali, že ve spodních vrstvách zemské kůry a hlouběji se vyskytuje síra ve dvou druzích molekul - jako sulfidy (sirníky) na bázi H₂S tedy S^2- a sírany (sulfáty) odvozené od H₂SO₄ tedy SO₄^2-. Nebyl důvod si myslet něco jiného ale přesto si chtěli svou teorii ověřit. Do míst, kde probíhají horotvorné pochody se jim ale žádnou sondu, která by změřila poměry v tamních tekutinách, dostat nepodařilo a protože nic nenasvědčuje tomu, že by se to v brzku mělo změnit, vytvořili si podmínky panující v plášti Země v laboratoři. Také roztoky si připravili tak, jak si mysleli, že by se v Zemi mohly vyskytovat. Šlo o vodu s obsahem elementární síry (S) a thiosíranů (molekuly obsahující S₂O₃²⁻ ionty). To pak zahřáli a stlačili, aby vytvořili poměry, které panují v hloubkách mnoha kilometrů pod povrchem planety. K simulaci teploty několika set stupňů Celsia a tlaku desítek tisíc atmosfér použili diamantovou kovadlinu.

Zvětšit obrázek

Diamantová kovadlina

Miliony atmosfér
Obrovský tlak lze v laboratoři dosáhnout pomocí zařízení, které před několika lety vyvinul Raymond Jeanloz z University of California v Berkeley. Po čtvrtstoletí snah se mu podařilo vyrobit diamantovou komůrku, kde se dá vzorek stlačit na 3,6 milionů atmosfér (360 GPa). Takový panuje v jádru Země. Dnes je metoda jeho diamantové kovadliny ještě vylepšena a v kombinaci s vysoce výkonným UV laserem v ní lze vyvolat rázovou vlnu, která vzorek zmáčkne tlakem ještě o řád vyšším, tedy na hodnotou, jaká se nevyskytuje ani v jádru Země. Jít na tato maxima ale v případě simulace podmínek v zemské kůře a plášti nebylo nutné. Zatímco dosáhnout potřebného tlaku na stlačení vzorků problém nebyl, potíže nastaly při zjišťování vlastností látek v natlakovaných roztocích. Vyřešila to až speciální spektroskopická metoda.

Analýza vzorku

Ramanova spektroskopie je optická metoda analytické chemie, při níž se využívá neelastického rozptylu monochromatického záření. Během tohoto děje se vyměňuje energie mezi fotony a molekulou tak, že rozptýlený foton má vyšší nebo nižší energii, než foton původní. Posuny frekvencí fotonů od frekvence použitého laserového zdroje pak nesou analytickou informaci o chemickém složení látek. Tím se vědcům podařilo identifikovat stav věcí in situ – v komůrce diamantové kovadliny.

Výsledky
Při teplotách od 25 °C do 450 °C a a tlacích až 3,5 GPa se v roztocích dějí prapodivné věci. Roste rozpustnost látek. Síra se například ve vodě při teplotě 500 stupňů Celsia rozpouští pětkrát ochotněji, než normálně.

Zvětšit obrázek

Diamantová kovadlina má velikost dlaně. Její stisk při pokojové teplotě může být až okolo 3,6 milionu atmosfér.

Zatímco se síra do 250 °C chová v roztoku "slušně" (podle zvyklostí termodynamiky) a vyskytuje ve formě sulfidů (sirníků) a síranů, nad tuto mez to již neplatí. Síra se převážně začne chovat jako radikál s třemi atomy síry (trisulfur ion S₃^-). Nelze říci, že by chemici tento iont již dříve neznali. Znali, našli jej v křemičitém skle, které obsahovalo příměs síry a v pigmentu ultramarínu. Je ale velkým překvapením, že něco takového je možné i ve vodě.

 

Hluboko v zemské kůře a v zemském plášti se síra vyskytuje ve formě radikálů (tříatomárních) S3 aniontů se symetricky zalomenou S-S-S vazbou v úhlu 103 stupňů. Zhruba stejný úhel svírá molekula vody H-O-H, která aniont zřejmě stabilizuje).

Výskyt těchto zajímavých iontů síry v neočekávaně vysokých koncentracích znamená, že síra je podstatně mobilnější v hydrotermálních roztocích zemské kůry, než se dosud myslelo. Zatímco sulfidy a sírany se chovají jako peciválové, vážou se na minerály a zůstávají na místě, iont S₃^- je ve vodném  prostředí jako doma a je extrémně stabilní. Jinými slovy, pod zemí tyto ionty mohou proudit na dlouhé vzdálenosti a protože jde o jakési rozpouštědlo, při svém přelévání z místa na místo s sebou mohou brát ušlechtilé kovy. Jde o objev nového chemického jevu, který je zřejmě hlavním přepravníkem v metamorfovaných vulkanických vyvřelinách (ložiska zlata a mědi v subdukčních magmatických zónách a v Archaean greenstone belt - v pásech metamorfovaných mafických vulkanitů z oblastí stabilizovaných bloků staré zemské kůry z dob archaika, prípadne raného proterozoika. Tyto metamorfity se vyznačují vyšším obsahem zelených minerálů: chlorit, aktinolit nebo amfibol.)

K čemu to může být dobré?

Tento poznatek se může hodit například při hledání nových ložisek drahých kovů. Teprve nyní jsme totiž začali chápat, jak se zlato dostávalo z hlubin na povrch a jak vznikaly některé zlatonosné žíly. Ale nejde tu jen o drahé kovy. Při chladnutí hydrotermálních roztoků dochází k frakcionaci izotopů síry. Jejich detekce by měla být využitelná pro datování usazenin (jakýsi ekvivalent radiokarbonového datování). Záhy bychom se tedy mohli dovědět mnohem více i o geologických podmínkách, které panovaly v kůře Země a na jejím povrchu v době krátce poté, co se na naší planetě objevil život.

Prameny: Géosciences Environnement Toulouse, CNRS