Вчені виявили, що ядро Землі повільно «протікає» у мантію

Геологи давно сперечаються, звідки беруться хімічні відмінності в глибокій мантії: це залишки первинної кристалізації «магматичного океану» чи наслідок тривалого обміну речовиною між ядром і мантією протягом усієї історії Землі?

Команда з Хефея вирішила перевірити, чи могли ці відмінності зберегтися просто як «заморожені» релікти, чи їх краще пояснює постійний витік матеріалу з ядра.

Квантові моделі та ізотопи водню

У своїй роботі вчені застосували підсилені машинним навчанням «шлях-інтегральні симуляції» (path-integral simulations), які дозволяють враховувати квантову поведінку атомів і молекул. Це особливо важливо для водню — надзвичайно легкого елемента з вираженими квантовими ефектами.

Дослідників цікавило співвідношення дейтерію до водню (D/H) — тобто частка важчого ізотопу водню (дейтерію) відносно звичайного водню. За цим показником можна судити, чи «просочується» легший водень вгору з глибин через гарячі мантійні плюми, що живлять вулканізм.

Якщо б усе визначалося лише кристалізацією давнього магматичного океану, мінерали й розплав мали б розділяти ізотопи водню по-різному. Але моделювання показало, що таке фракціонування дуже слабке.

Висновок моделі: кристалізація магматичного океану мала б залишити давню мантію з майже однорідним ізотопним складом водню, попри великі зміни тиску, температури та різні припущення моделі.

Найважливішим чинником виявився початковий ізотопний склад водню в цьому магматичному океані. Інші параметри, включно з початковим вмістом води (який оцінюють максимум у дві сучасні маси океану), майже не впливали на результат. Причина — надто енергійні, хаотичні умови ранньої Землі, за яких ізотопи просто не встигали «акуратно» розсортуватися по шарах.

Острівні базальти як вікно в глибини

Щоб перевірити, що відбувається сьогодні, вчені звернулися до океанічних острівних базальтів (OIBs) — лав, які піднімаються з глибин поблизу межі ядра й мантії. Такі породи вивергаються, наприклад, на Баффіновій Землі в Канаді та в Ісландії.

Ці базальти несуть у собі легкий водень, що, за інтерпретацією дослідників, походить із сонячної туманності, з якої сформувалася Сонячна система. Він був захоплений Землею на ранніх етапах і зберігався в ядрі як своєрідна геохімічна «капсула часу».

Коли цей водень поступово виходить із ядра в мантію, він збагачує її легким ізотопом і знижує співвідношення D/H у породах, які потім вивергаються на поверхню.

Гелій і вольфрам: додаткові докази витоку

Другий важливий індикатор — ізотопи гелію. Гелій-3 є легшим, первинним ізотопом, що походить із сонячної туманності й частково з Великого вибуху. Натомість гелій-4 утворюється переважно внаслідок радіоактивного розпаду в верхніх шарах Землі.

Підвищене співвідношення гелію-3 до гелію-4 в океанічних острівних базальтах свідчить, що цей легкий, первинний гелій також надходить із глибоких шарів, імовірно з ядра.

Ще одна важлива «мітка» — вольфрам. На ранніх етапах формування планети цей важкий метал переважно пішов у ядро разом із залізом, коли шари Землі розділялися. Тепер же давній ізотоп вольфраму, який мав би бути «засланий» у ядро, виявляється у вулканічних породах. Це означає, що він піднімається вгору разом із гарячими плюмами, відстежуючи шлях матеріалу з ядра через мантію.

Динамічний обмін замість «заморожених» реліктів

У сукупності ці три незалежні хімічні сигнали — ізотопи водню, гелію та вольфраму — вказують на одне й те саме: ядро Землі не є повністю ізольованим. Воно повільно, але постійно обмінюється речовиною з мантією.

Автори роботи роблять висновок, що навіть якщо в глибокій мантії колись існували первинні резервуари, їхній сучасний ізотопний склад водню навряд чи є простими «реліктами» раннього розшарування планети. Натомість він відображає тривалу, динамічну модифікацію внаслідок безперервного обміну між ядром і мантією протягом усієї еволюції Землі.

Такі результати змінюють уявлення про внутрішню будову планети: навіть найглибші її шари виявляються не застиглими в минулому, а залученими до повільного, але безперервного геохімічного «кругообігу» від ядра до поверхні.

Вчені виявили, що ядро Землі повільно «протікає» у мантію з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com