Исчезновение колоссального количества древнего свинца меняет историю Земли

Фото из открытых источников

На протяжении десятилетий геохимики использовали различные разновидности свинца в качестве своего рода безошибочных геологических часов для датирования образования горных пород и понимания процессов аккреции планет, которые сформировали Землю более 4,5 миллиардов лет назад.

Однако этот метод, считающийся одним из самых надежных инструментов в планетологии, содержит вопиющее противоречие, которое держит научное сообщество в напряжении: расчеты показывают, что в земной коре отсутствует колоссальное количество древнего свинца, и это несоответствие настолько значительно, что на бумаге наша планета выглядит намного моложе, чем свидетельствуют первобытные метеориты.

Недавнее исследование, проведенное под руководством Азиатской школы окружающей среды при Наньянском технологическом университете (NTU) в Сингапуре и опубликованное в журнале Nature Communications, предложило решение этого парадокса, которое не требует поиска недостающего металла в недоступном ядре, а скорее в условиях сжимающего давления земной мантии, где поведение свинца в присутствии серы демонстрирует гораздо более сложную и стабильную химию, чем предполагалось ранее.

Парадокс недостающего свинца основан на существовании четырех изотопных форм этого элемента. Три из них — свинец-206, свинец-207 и свинец-208 — имеют радиогенную природу, что означает, что они непрерывно образуются в результате радиоактивного распада урана и тория.

Этот процесс атомного распада протекает с постоянной и неизменной скоростью, предоставляя исследователям точный ядерный хронометр: если порода содержит высокую долю свинца, полученного из урана, по сравнению с исходным свинцом, она классифицируется как геологически молодая, тогда как высокое содержание первичного свинца по отношению к радиогенному свинцу указывает на древний возраст.

Четвертый изотоп, свинец-204, не является радиогенным и представляет собой «исходный» свинец, присутствовавший в Солнечной системе с момента ее образования. Конфликт возникает при сравнении состава горных пород с поверхности Земли с составом древних метеоритов, которые послужили строительными блоками планеты.

В породах земной коры наблюдается необъяснимый избыток «молодого» или радиогенного свинца, что, по обратной логике, подразумевает серьезный дефицит первичного свинца, который должен быть распределен по всей планете. Долгое время преобладающей гипотезой, объясняющей это отсутствие, было предположение, что этот первоначальный свинец опустился к расплавленному железному ядру во время ранней дифференциации планет. Эта модель, хотя и элегантная, так и не смогла удовлетворительно описать точный физико-химический механизм, который позволил бы свинцу оставаться в ядре на протяжении эонов, не оставляя явных следов в окружающей мантии.

Исследовательская группа под руководством профессора Саймона Редферна и бывшего постдокторанта доктора Лю Сию из NTU решила изучить этот вопрос, сосредоточившись на естественном сродстве свинца к сере, элементу, широко распространенному на Земле. Первоначальное предположение заключалось в том, что сульфид свинца является наиболее вероятным кандидатом на роль глубокого хранилища недостающего свинца.

Благодаря интенсивному использованию передовых вычислительных моделей, ученые подвергли это соединение условиям экстремального давления, которые преобладают на глубине сотен или тысяч километров под поверхностью. Результаты моделирования выявили важнейшее и до сих пор недооцененное термодинамическое свойство: сульфид свинца приобретает исключительную стабильность при таком давлении, оставаясь в твердом состоянии даже при температурах, приближающихся к 5000 градусам Цельсия, — термическом пороге, значительно превышающем реальные условия, оцениваемые для нижней мантии.

Такая структурная прочность предполагает, что на этапах формирования Земли в глубинах мантии могли образоваться массивные залежи древнего свинца, заключенные в твердые минеральные фазы, которые полностью изолировали их от урана и тория, присутствующих в земной коре. Как прямое следствие этой изоляции, этот изолированный свинец не участвовал в поверхностном геохимическом цикле и не способствовал смешиванию изотопов, которые ученые измеряют в вулканических и континентальных породах, создавая тем самым ложное впечатление о Земле, обедненной первичным свинцом и искусственно обогащенной радиогенным свинцом.

Вычислительные расчеты, выполненные с помощью специализированного программного обеспечения CALYPSO — алгоритма, предназначенного для прогнозирования стабильных кристаллических структур исключительно на основе химического состава и внешних термодинамических условий, — не ограничились подтверждением стабильности обычного сульфида свинца, но позволили команде идентифицировать две совершенно новые минеральные структуры свинца и серы, которые ранее не были описаны в науке.

Это два полисульфида, обозначенные как PbS₂ и PbS₃, существование которых, согласно прогнозам, возможно в областях мантии, локально обогащенных серой. Высокотемпературные модели атомной динамики подтвердили, что эти теоретические соединения не являются просто курьезами вычислительных лабораторий, а термодинамически осуществимыми фазами, способными сохраняться в условиях интенсивного конвективного движения недр Земли на протяжении миллиардов лет.

Каждое из этих новых соединений демонстрирует различное поведение в условиях мантии. Первое из них, PbS₂, предположительно сохраняет твердое состояние в диапазонах давлений, соответствующих верхней мантии. Второе соединение, PbS₃, обладает динамической характеристикой, имеющей большое геологическое значение: его температура плавления сравнительно низка, что подразумевает, что при определенных термодинамических условиях оно может подвергаться частичному плавлению и превращаться в менее плотную жидкость.

Эта жидкость, движимая собственной плавучестью, медленно поднималась бы сквозь твердые породы мантии, выступая в качестве эффективного, хотя и незначительного, переносчика. Этот механизм «капельного» или «просачивания» глубинного материала к поверхности предлагает последовательное и химически обоснованное объяснение явления, эмпирически наблюдаемого вулканологами: спорадического появления изотопных сигнатур чрезвычайно древнего свинца в современных вулканических породах — аномалии, для которой до сих пор не было четкого механизма происхождения.

Последствия этого открытия выходят за рамки простого разрешения старой геохимической загадки Земли. Исследование переосмысливает роль серы в распределении и связывании тяжелых металлов в каменистых планетах. Понимание того, как такой летучий элемент, как сера, может так эффективно закреплять плотный свинец в глубинах земной мантии, предоставляет новую теоретическую основу для оценки химической эволюции других планетных тел Солнечной системы, таких как Марс.

Процессы дифференциации и распределение элементов во внутренней части Марса можно пересмотреть в свете новой химии полисульфидов под высоким давлением, что позволит планетологам уточнить модели того, как на земных планетах происходит разделение металлических и силикатных компонентов в период их становления. Вычислительная работа NTU демонстрирует, что ответы на некоторые из самых фундаментальных вопросов об истории Земли лежат не в далеком космосе, а в квантовом поведении атомов, находящихся под невообразимым давлением в ядре планеты, по которой мы ходим.

Экспериментальная проверка этих теоретических предсказаний представляет собой следующий логический и непосредственный шаг в планах исследовательской группы. Ученые стремятся воссоздать в лабораторных условиях условия давления и температуры земной мантии, используя алмазные наковальни и методы лазерного нагрева, с целью физического синтеза полисульфидов PbS₂ и PbS₃ и подтверждения их структурной стабильности in situ.

Одновременно с этим они продолжат совершенствовать вычислительные модели для получения более точной хронологии событий разделения внутренних слоев первоначальной Земли. Аналогичным образом будет проведен систематический поиск физических свидетельств наличия этих экзотических минералов в ксенолитах мантии и в образцах ультрамафических пород, вынесенных на поверхность тектонической и вулканической активностью, в попытке обнаружить неуловимые следы того древнего свинца, который оставался скрытым под нашими ногами с зарождения планеты.