Новое исследование Техасского университета в Остине показывает, что уникальный состав железа на Земле не связан с формированием ядра планеты, что ставит под сомнение господствующую теорию о событиях, сформировавших нашу планету в первые годы ее существования..
Исследование, опубликованное в Nature Communications 20 февраля, открывает двери для других конкурирующих теорий о том, почему Земля по сравнению с другими планетами имеет более высокие уровни тяжелых изотопов железа. Среди них: легкие изотопы железа могли испариться в космос в результате сильного столкновения с другой планетой, образовавшей Луну; медленное взбалтывание мантии по мере того, как она создает и перерабатывает земную кору, может преимущественно включать тяжелое железо в горную породу; или состав сырья, из которого образовалась планета в первые дни ее существования, мог быть обогащен тяжелым железом.
Изотоп - это разновидность атома, вес которого отличается от веса других атомов того же элемента, поскольку он имеет разное количество нейтронов.
«Формирование ядра Земли было, вероятно, крупнейшим событием, повлиявшим на историю Земли. Материалы, из которых состоит вся Земля, были расплавлены и дифференцированы», - сказал Юнг-Фу Линь, профессор Школы наук о Земле Джексона при Техасском университете и один из авторы исследования. «Но в этом исследовании мы говорим, что должно быть другое происхождение аномалии изотопов железа на Земле».
Джин Лю, в настоящее время занимающий постдокторскую степень в Стэнфордском университете, руководил исследованием, одновременно получая степень доктора философии. в школе Джексона. Среди соавторов ученые из Чикагского университета, университетов Сорбонны во Франции, Аргоннской национальной лаборатории, Центра исследований высокого давления и передовых технологий в Китае и Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне.
Образцы горных пород с других планетарных тел и объектов - от Луны до Марса и древних метеоритов, называемых хондритами, - имеют примерно одинаковое соотношение тяжелых и легких изотопов железа. По сравнению с этими образцами из космоса, горные породы с Земли содержат примерно на 0,01% больше тяжелых изотопов железа, чем легких изотопов.
Это может показаться не таким уж большим, но Лин сказал, что этого достаточно, чтобы сделать состав железа на Земле уникальным среди известных миров.
«Эта 0,01-процентная аномалия очень значительна по сравнению, скажем, с хондритами», - сказал Лин. «Таким образом, это существенное различие представляет другой источник или происхождение нашей планеты».
Лин сказал, что одна из самых популярных теорий, объясняющих железную сигнатуру Земли, заключается в том, что относительно большой размер планеты (по сравнению с другими твердыми телами в Солнечной системе) создал условия высокого давления и высокой температуры во время формирования ядра. что привело к накоплению в ядре и мантии различных пропорций тяжелых и легких изотопов железа. Это привело к тому, что большая доля тяжелых изотопов железа соединилась с элементами, составляющими каменистую мантию, в то время как более легкие изотопы железа соединились вместе и с другими микроэлементами, образуя ядро Земли.
Но когда исследовательская группа использовала алмазную наковальню, чтобы подвергнуть небольшие образцы металлических сплавов и силикатных пород давлению формирования керна, они не только обнаружили, что изотопы железа остались на месте, но и связи между железом и другими элементами ухудшились. сильнее. Вместо разрыва и повторного соединения с обычными элементами мантии или ядра первоначальная конфигурация связи стала более прочной.
"Наши исследования высокого давления показывают, что фракционирование изотопов железа между силикатной мантией и металлическим ядром минимально", - сказал Лю, ведущий автор.
Соавтор Николас Дофас, профессор Чикагского университета, подчеркнул, что анализ измерений в атомном масштабе сам по себе был подвигом.
"Нужно использовать сложные математические методы, чтобы понять смысл измерений", сказал он. «Чтобы это осуществить, понадобилась команда мечты».
Хелен Уильямс, преподаватель геологии в Кембриджском университете, сказала, что трудно понять физические условия формирования ядра Земли, но высокие давления в эксперименте делают моделирование более реалистичным.
«Это действительно элегантное исследование с использованием совершенно нового подхода, который подтверждает более ранние экспериментальные результаты и распространяет их на гораздо более высокие давления, соответствующие вероятным условиям равновесия ядра и мантии на Земле», - сказал Уильямс..
Лин сказал, что потребуются дополнительные исследования, чтобы раскрыть причину уникальной железной сигнатуры Земли, и что ключевую роль будут играть эксперименты, приближающие ранние условия на Земле, потому что камни из ядра невозможно получить.