Новое исследование дает возможное представление о формировании Земли

Новое исследование, проведенное учеными из Университета Нью-Мексико, обнаружило утечку древнего первичного гелия-3 из ядра Земли, что позволяет предположить, что планета образовалась внутри солнечной туманности, что вызвало дальнейшие споры среди ученых.

Каждый год около 2 кг редкого газообразного изотопа гелия-3 выбрасывается из недр Земли, в основном вдоль системы срединно-океанических хребтов, ряда подводных вулканов по всему миру. Гелий-3 является первичным, созданным вскоре после Большого взрыва и полученным из солнечной туманности при формировании Земли. Геохимические данные указывают на то, что на Земле есть глубокие резервуары гелия-3, но их местонахождение и содержание неизвестны.

Запасы гелия на Земле состоят из двух стабильных изотопа: более распространенного гелия-4 и редкого гелия-3. В отличие от земного гелия-4, который в основном образуется при распаде урана и тория, земной гелий-3 в основном имеет первичное происхождение, синтезированный после Большого взрыва и включенный в состав Земли в основном во время ее формирования.

Теперь научные модели обмена летучими веществами во время формирования и эволюции Земли предполагают, что металлическое ядро является негерметичным резервуаром, который снабжает остальную часть Земли гелием-3. Результаты также предполагают, что другие летучие вещества могут просачиваться из ядра в мантию. Гелий-3 возникает в основном в туманностях, огромном облаке пыли и других основных элементов, таких как водород и другие ионизированные газы. Как один из самых ранних элементов, созданных во Вселенной, большая часть гелия-3 была создана на начальных стадиях Большого взрыва.

«Гелий-3 был синтезирован очень рано в истории Вселенной, очень рано, то есть в течение нескольких секунд после Большого взрыва», — сказал Питер Олсон, геофизик из Национального исследовательского центра и ведущий автор статьи «Первичный гелий-3, обменивающийся между Ядро и мантия Земли», опубликованная недавно в журнале Американского геофизического союза «Геохимия, геофизика, геосистемы». Это исследование помогает определить, что источником утечки является ядро, а не мантия. Ему 13 с лишним миллиардов лет, и считается, что оно выходит из недр Земли, и место, где оно, по-видимому, протекает с наибольшей скоростью, — это Центры спрединга Срединно-океанического хребта — это границы плит, на которых формируется новая океаническая кора.

«Несмотря на то, что это небольшое количество, важны две вещи. Во-первых, он не попал туда в последнее время. Это первичный элемент, и некоторые места, из которых он просачивается, связаны с ядром. Например, источник считается, что лава, из которой состоят Гавайи и Исландия, образовалась из шлейфов, которые поднимаются сквозь мантию из пограничной области между ядром и мантией. Утечка гелия с Земли глобальна. И не только в нескольких местах. центры на срединно-океанических хребтах. Эти центры распространения являются глобальными, охватывая всю Землю. Гелий просачивается и из других сред. Таким образом, он глобальный и исходит из глубины земли, и это два вывода, которые действительно солидно, я думаю».

В исследовании, в котором также принимал участие Зак Шарп, геохимик из UNM из Департамента наук о Земле и планетах, в рамках процесса моделирования были затронуты два аспекта: во-первых, как гелий-3 попал в недра земли, процесс сбора, а во-вторых, как это выходит. Предыдущие исследования показали, как гелий-3 попадает внутрь, но никто не делал одновременно и получения гелия-3, и процесса его вывода. Оба являются принципиально разными механизмами и происходят в разных временных масштабах земной истории.

«Процесс приобретения или газ, из которого состоит Солнечная система, на самом деле является газом, из которого состоят Солнце, Юпитер и Сатурн, и на 15 процентов состоит из гелия», — сказал Олсон. «Это второй по распространенности элемент в этих телах (после водорода), что делает его вторым по распространенности элементом в Солнечной системе. Очевидный способ включить много гелия-3 в землю — построить землю, пока солнечная туманность была на месте, окружая ее. Когда Земля была окутана туманным газом, и если поверхность Земли расплавлена, тогда газ может растворяться в расплавленной Земле по мере его формирования, потому что газы легко растворяются в расплавах».

«В пределах солнечной туманности есть много маленьких комет или маленьких камешков, которые мы называем снежками, которые будут медленно падать к Солнцу просто из-за гравитации притяжения Солнца», — сказал Шарп. «Это физическая уверенность — это должно произойти. Теперь, если у вас есть планетарные тела, которые еще не полностью выросли, и у вас есть галька, приближающаяся к солнцу, тогда значительная часть «камешков» будет гравитационно захвачена планетой. Вы можете сделать за 2 миллиона лет что-то размером с Землю с помощью этого процесса, тогда как предыдущие модели требовали около 10 миллионов лет, чтобы создать тело размером с Землю».

Ученые использовали модель, состоящую из атмосферы туманности, состоящей из того же состава, что и солнечная туманность, и поглощения этого материала расплавленным, что обеспечило среду, необходимую для отделения гелия от мантии и ядра.

«Очень быстро выясняется, что при таких условиях поверхность была бы настолько горячей, что это был бы океан магмы, как раз среда, в которой можно растворить потерю гелия», — сказал Олсон. «Это помещает гелий в землю, но не в ядро, для этого вы должны растворить его в железе, которое образует ядро. Были проведены лабораторные измерения, которые измеряют растворимость гелия в свободных металлах, таких как расплавленное железо. Это дало нам оценку того, сколько гелия вы могли растворить в ядре при формировании Земли. Это процесс моделирования для первого шага, который сказал нам, что вы получаете один или несколько петаграммов (1 000 000 000 000 000 граммов) гелия-3 в ядро».

«Это очень хорошо, куда мы движемся. Вопрос в том, «как нам получить столько гелия в мантии»? Это всегда была проблема, которая никогда не была полностью решена», — сказал Шарп. «Это было похоже на то, что да, это там, и, возможно, оно пришло из этих поздних комет или астероидов, но проблема в том, что гелий не плотный. Он хочет «плавать» на поверхности. Это как взять пляжный мяч и попытаться столкнуть его на дно бассейна. Он снова всплывет. Как получить гелий из глубин мантии? Это действительно проблема.

«Это обычно не обсуждается в случае с небулярным поглощением, но 15 процентов туманности — это гелий. Большая часть остального — это водород, так что вот и все, это основная часть небулярного газа. Если у вас есть это под высоким давлением, точно так же, как CO 2 растворяется в вашей воде в банке с газировкой, гелий будет растворяться на всем протяжении вплоть до недр планеты».

Второй шаг в этом процессе сложен, потому что вам нужно истощить мантию гелия-3, прежде чем он начнет вытекать из ядра. Многочисленные исследования предполагают, что гелий был потерян из мантии, когда Земля затвердела после «Гигантского удара». Гигантский удар — предполагаемое образование Луны во время столкновения протоземли с большой планетой, эквивалентной по размеру Марсу.

«Гигантский удар был настолько разрушительным событием, что мантия Земли потеряла бы много своих газов, в том числе гелий-3. Это критический шаг, потому что в противном случае из ядра не произойдет утечка гелия», — сказал Олсон. «Как только эти два фактора были на месте, смоделированный нами процесс утечки представлял собой обычную диффузию плюс конвекцию в земной мантии, которая приводит в движение тектонику плит. Это транспортировало бы материал мантии вниз к границе ядра и мантии, где он увлекал бы за собой гелий… 3 из ядра и транспортировать его обратно на поверхность в океанских хребтах и вулканических горячих точках, и, может быть, например, в рифте Рио-Гранде здесь, в Нью-Мексико».

«Количество утечки гелия составляет где-то около четырех фунтов в год, может быть достаточно, чтобы заполнить 50 воздушных шаров в зависимости от размера воздушных шаров», — сказал Шарп. «Это немного, но тот факт, что он все время продолжает выходить из-под земли с идеей, что ядро является важным источником, все жизнеспособно. Никого не волнует небольшая утечка гелия из Земли в космос. , но мы думаем, что это отпечаток важных ранних событий в истории нашей планеты. Это свидетельство того, что идея поглощения туманностями верна. Если бы гелий был доставлен позже астероидами и кометами, врезавшимися в Землю через миллионы лет после ее образования, мы бы не ожидал увидеть столько гелия в глубокой мантии и ядре. По сути, это прокси для доставки на Землю живительной воды. Он обеспечивает механизм для создания обитаемой планеты».