Залишки стародавнього океану та зіткнення планет – вчені проливають нове світло на таємничий шар D Землі

Нові дослідження показують, що таємничий шар D на межі ядра та мантії Землі, можливо, утворився із залишків раннього масивного зіткнення, причому багатий на залізо перекис відіграє ключову роль у його унікальних і довговічних характеристиках.

Глибоко всередині Землі є таємничий шар, який називається шаром D. Цей регіон розташований на глибині приблизно 3000 кілометрів і лежить над межею між розплавленим зовнішнім ядром планети та її твердою мантією. На відміну від ідеальної сфери, шар «D» напрочуд неповний. Його товщина сильно варіюється від місця до місця, а в деяких областях навіть взагалі відсутній шар «D» — так само, як континенти височіють над океанами Землі. Ці цікаві відмінності привернули увагу геофізиків, які описали шар D як неоднорідну або неоднорідну область.

Нове дослідження під керівництвом доктора Qingyang Hu (Науковий центр високого тиску та передових технологій) і доктора Jie Ding (Прінстонський університет) вказує на те, що шар D міг походити з ранніх днів існування Землі. Їхня теорія базується на гіпотезі гігантського удару, яка передбачає a МарсОб’єкт великого розміру зіткнувся з протоземлею, утворивши в результаті магматичний океан планети. Вони вважають, що шар D може бути унікальним складом залишків цього масивного удару, потенційно зберігаючи докази формування Землі.

Вода в океані магми

Доктор Цзе Дін підкреслює наявність великої кількості води в цьому глобальному магматичному океані. Точне походження цієї води залишається предметом дискусій, оскільки були запропоновані різні теорії, включаючи її утворення через взаємодію між туманним газом і магмою або пряму доставку кометами. Доктор Денг продовжує: «Переважаюча точка зору полягає в тому, що під час охолодження вода концентрувалася на дні магматичного океану. На останніх стадіях магма, яка знаходиться найближче до ядра, могла містити кількість води, подібну до тієї, що є в сучасних океанах Землі.

Умови екстремального тиску та температури в нижньому магматичному океані створили б унікальне хімічне середовище, сприяючи несподіваним взаємодіям між водою та мінералами. «Наше дослідження показує, що цей водянистий океан магми сприяв утворенню багатої залізом фази, яка називається пероксидом заліза та магнію», — пояснює д-р Qingyang Hu. Цей пероксид із формулою (Fe, Mg)O2 має більшу перевагу залізу, ніж інші основні компоненти, які очікуються в нижній мантії. «Згідно з нашими розрахунками, його зв’язування із залізом могло призвести до накопичення перекису заліза в шарах товщиною від кількох до десятків кілометрів.

Утворення неоднорідної структури на межах мантії ядра Землі. Авторство: China Science Press

Наявність багатої залізом пероксидної фази змінила б мінеральний склад шару D, відхиляючись від нашого поточного розуміння. Згідно з новою моделлю, серед мінералів у D буде домінувати нова група: бідні залізом силікати, багаті залізом пероксиди (Fe, Mg) і бідні залізом оксиди (Fe, Mg). Цей пероксид із домінуванням заліза також має низькі сейсмічні швидкості та високу електропровідність, що робить його ймовірним кандидатом для пояснення унікальних геофізичних особливостей шару D. Ці особливості включають області дуже низької швидкості та високопровідні шари, обидва з яких сприяють відомому композиційна неоднорідність шару D.

«Наші висновки вказують на те, що багатий на залізо пероксид, який утворився з давньої води в магматичному океані, відіграв вирішальну роль у формуванні неоднорідних структур шару D», — сказав Ціньян. Сильна спорідненість цього перекису із залізом створює різкий контраст щільності між цими багатими залізом плямами та навколишньою мантією. По суті, він діє як ізолятор, запобігаючи їх змішуванню та потенційно пояснюючи довготривалу неоднорідність, що спостерігається в основі нижньої мантії. «Ця модель добре узгоджується з останніми результатами чисельного моделювання, що свідчить про те, що неоднорідність нижньої мантії може бути довгостроковою особливістю», — додав Джі.

Довідка: «Межа ядро-мантія Землі, утворена кристалізацією водного океану із земної магми» Qingyang Hu, Ji Ding, Yucai Zhuang, Zhenzhong Yang і Rong Huang, 13 травня 2024 р. Національний науковий огляд.
doi: 10.1093/nsr/nwae169