Из ядра Земли вытекают материалы, запертые в нём с момента рождения планеты

Фото из открытых источников

Наша ранняя Земля была не особо привлекательна: расплавленный шар, покрытый глобальным океаном лавы, извергающий смертоносные газы и подвергающийся бомбардировкам пылающими космическими камнями, оставшимися после бурного и хаотичного рождения нашей Солнечной системы.

За последующие 4,5 миллиарда лет бурной космогеологической жизни ситуация несколько стабилизировалась, позволив появиться людям, котикам и другим животным.

Видение этой адской древней реальности сохранилось: наше расплавленное металлическое ядро, раскаленное примерно до температуры поверхности Солнца. 

Но наше ядро постоянно посылает химические сигналы вверх через свои слои, включая доставленные из космоса компоненты, из которых оно зародилось, и которые оставались запертыми примерно на треть времени существования Вселенной.

Сюда входит водород, втянутый из гигантского облака газа и пыли, из которого образовалось Солнце, и который продолжает подниматься из ядра и превращаться в воду в мантии и коре – не в плещущуюся воду, а в воду, заключенную в минералах.

В связи с этим группа геоученых из Китайского университета науки и технологий в Хэфэе решила ответить на один из самых популярных в науке, давних (технически, древних) вопросов: Являются ли химические различия в глубинных мантийных отложениях остатками кристаллизации нашей планеты из магматического шара или свидетельством того, что ядро и мантия обменивались химическими веществами с незапамятных времен?

В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, ученые использовали методы моделирования с помощью машинного обучения, основанные на «интегралах по траекториям», для изучения квантового взаимодействия молекул и атомов.

Являются ли химические различия в глубинных мантийных отложениях остатками кристаллизации нашей планеты из магматического шара или свидетельством того, что ядро и мантия обменивались химическими веществами с незапамятных времен?

Важно отметить, что это позволило им проанализировать внутриземной перенос водорода, который является особенно причудливым с точки зрения квантовых процессов атомом из-за своей легкости. 

Таким образом, они проверили соотношение дейтерия и водорода, которое измеряет долю более тяжелого изотопа водорода, называемого дейтерием, по отношению к обычному водороду, чтобы выяснить, не просачивается ли более легкий водород вверх через расплавленные струи, извергающиеся на поверхности.

Однако модель кристаллизации показывает, что фракционирование минералов и расплава довольно слабое, поэтому оно привело бы к равномерному распределению D/H в древней мантии.

«В совокупности эти результаты указывают на то, что кристаллизация магматического океана приводит к образованию примитивной мантии с практически однородным изотопным составом водорода, несмотря на значительные колебания давления, температуры и допущений, используемых в модели», — обнаружили исследователи. 

Они обнаружили, что наиболее важным фактором был исходный изотопный состав водорода в магматическом океане — другие переменные, включая исходное содержание воды (оцениваемое в пределах двух океанических масс), оказывали незначительное влияние на результат.

Причина буквально в хаосе, потому что условия были слишком экстремальными, чтобы дейтерий и водород могли аккуратно распределиться по слоям Земли. 

Островные базальты океана (ОИБ) свидетельствуют о вытекании земного ядра, поскольку они образуются в результате восходящих потоков вблизи границы между ядром и мантией.  

Эти лавы извергаются, например, с острова Баффин, расположенного в Нунавуте, Канада, и из Исландии, расположенной в Исландии. 

Они также, по-видимому, переносят легкий водород, накопившийся в солнечной туманности, которая создала нашу Солнечную систему, — геохимическую капсулу времени, существовавшую еще до того, как все, что нам известно, существовало.

По мере того, как этот водород поднимается вверх из ядра, он обогащает мантию и снижает ее отношение D/H.

Соотношение изотопов гелия дает еще одну подсказку: гелий-3 — это более легкий, первичный изотоп из солнечной туманности, большая часть которого образовалась в результате Большого взрыва, тогда как более тяжелый гелий-4 образуется в результате радиоактивного распада в верхних слоях Земли.

В результате, более высокое соотношение гелия-3 к гелию-4 в океанических базальтах является дополнительным доказательством того, что они также покидают ядро Земли.

Вольфрам представляет собой еще один важный элемент головоломки, поскольку этот тяжелый металл изначально был изолирован в ядре Земли, когда слой земной коры распался на подобие цветущей луковицы во время кристаллизации. Но теперь древний, изгнанный изотоп вольфрама перемещается вместе с поднимающимися потоками, отслеживая движение материалов ядра, которые извергаются вверх через недра Земли.

Итак, подводя итог, можно сказать, что исследователи обнаружили трио химических соединений из самых глубоких и древних недр нашей планеты: эти соотношения водорода, гелия и вольфрама указывают на утечку из нашего ядра.

«Эти результаты позволяют предположить, что даже если когда-то существовали первобытные резервуары в глубинах мантии, изотопные характеристики водорода в современной глубокой нижней мантии вряд ли представляют собой простые реликты ранней дифференциации», — заключают исследователи. 

Вместо этого, как заключают исследователи, они «отражают динамические изменения, происходящие в результате непрерывного обмена между ядром и мантией Земли на протяжении всей ее эволюции».