Земля, возможно, передала свои сокровенные секреты паре калифорнийских геохимиков, которые использовали обширные компьютерные симуляции, чтобы собрать воедино самую раннюю историю ядра нашей планеты.
Эта схема земной коры и мантии показывает результаты их исследования, в ходе которого выяснилось, что экстремальные давления могли бы привести к концентрации более тяжелых изотопов железа вблизи дна мантии, когда оно кристаллизовалось из океана магмы.
Используя суперкомпьютер для виртуального сжатия и нагревания железосодержащих минералов в условиях, которые существовали бы, когда Земля кристаллизовалась из океана магмы в твердую форму 4,5 миллиарда лет назад, два ученых из Калифорнийского университета в Дэвисе - подготовили первую картину того, как различные изотопы железа были первоначально распределены в твердой Земле.
Это открытие может открыть волну исследований по эволюции мантии Земли, слоя материала глубиной около 1800 миль, простирающегося от тонкой коры планеты до ее металлического ядра.
«Теперь, когда у нас есть представление о том, как эти изотопы железа были первоначально распространены на Земле, - сказал ведущий автор исследования Джеймс Рустад, - мы должны быть в состоянии использовать изотопы для отслеживания внутренней работы двигателя Земли».
Статья, описывающая исследование, проведенное Рустадом и соавтором Цин-чжу Инь, была размещена онлайн журналомПриродоведение в воскресенье, 14 июня, перед началом печатного издания в июле.
Огромная мантия, зажатая между земной корой и ядром, составляет около 85 процентов объема планеты. В человеческом масштабе эта огромная часть нашего шара кажется твердой. Но в течение миллионов лет тепло от расплавленного ядра и радиоактивный распад мантии заставляют его медленно взбиваться, как густой суп на слабом огне. Эта циркуляция является движущей силой поверхностного движения тектонических плит, которое строит горы и вызывает землетрясения.
Одним из источников информации, обеспечивающей понимание физики этой вязкой массы, являются четыре устойчивые формы или изотопы железа, которые можно найти в горных породах, поднявшихся на поверхность Земли в хребтах среднего океана, где происходит распространение морского дна, и в горячих точках как вулканы Гавайев, которые проникают сквозь земную кору. Геологи подозревают, что часть этого материала происходит на границе между мантией и ядром, примерно в 1800 милях от поверхности.
«Геологи используют изотопы для отслеживания физико-химических процессов в природе, как биологи используют ДНК для отслеживания эволюции жизни», - сказал Инь.
Поскольку состав изотопов железа в горных породах будет варьироваться в зависимости от давления и температурных условий, в которых была создана порода, Инь сказал, что в принципе геологи могут использовать изотопы железа в горных породах, собранных в горячих точках по всему миру, для отслеживания геологической истории мантии. , Но для того, чтобы сделать это, им сначала нужно будет узнать, как изотопы первоначально распределялись в первичном магматическом океане Земли, когда он остывал и затвердевал.
Инь и Рустад исследовали, как конкурирующие эффекты экстремального давления и температуры в глубине Земли могли бы повлиять на минералы в нижней мантии, зоне, которая простирается примерно от 400 миль ниже земной коры до границы ядро-мантия. Температуры до 4500 градусов Кельвина в регионе уменьшают изотопные различия между минералами до минимального уровня, в то время как давления дробления имеют тенденцию изменять основную форму самого атома железа, явление, известное как электронный спиновый переход.
Пара рассчитала изотопный состав железа двух минералов в диапазоне температур, давлений и различных электронных спиновых состояний, которые, как теперь известно, возникают в нижней мантии. Два минерала, ферроперовскит и ферропериклаз, содержат практически все железо, которое встречается в этой глубокой части Земли.
Расчеты были настолько сложными, что каждой серии, которую Рустад и Инь пробежали по компьютеру, требовался месяц для завершения.
Инь и Рустад определили, что экстремальные давления могут привести к концентрации более тяжелых изотопов железа в нижней части кристаллизующейся мантии.
Исследователи планируют задокументировать изменение изотопов железа в чистых химических веществах, подвергаемых лабораторным температурам и давлениям, которые эквивалентны тем, которые обнаружены на границе ядро-мантия. В конце концов, сказал Инь, они надеются увидеть свои теоретические прогнозы, проверенные в геологических образцах, полученных из нижней мантии.
Источник: EurekAlert
