Глубоко под поверхностью Земли лежит толстый каменистый слой, называемый мантией, который составляет большую часть объема нашей планеты. Хотя мантия Земли слишком глубока, чтобы люди могли наблюдать ее напрямую, некоторые метеориты могут дать ключ к пониманию этого недостижимого слоя.
В исследовании, недавно опубликованном в журнале Science Advances, международная группа ученых, в том числе Санг-Хеон Дэн Шим и Томас Шарп из Университета штата Аризона (ASU), завершила комплексный анализ «шокового метеорита» (один который испытал условия высокого давления и высокой температуры в результате ударных событий) и получил новое представление о нижней мантии Земли.
Суйчжоу: шокированный метеорит
Потрясенные метеориты дали много примеров глубоких мантийных минералов с 1969 года, когда был открыт минерал высокого давления Рингвудит.
В этом исследовании ведущий автор Лука Бинди из Флорентийского университета (Италия), Шим и Шарп из Школы исследования Земли и космоса АГУ и Сянде Се из Института геохимии Гуанчжоу (Китай) сосредоточили свои усилия на образец потрясенного метеорита под названием Суйчжоу.
«Суйчжоу был идеальным метеоритом для анализа нашей командой», - объясняет Шим, который специализируется на использовании экспериментов с высоким давлением для изучения мантии Земли. «Он предоставил нашей команде образцы природных минералов высокого давления, подобных тем, которые, как считается, составляют недра Земли».
Суйчжоу упал в 1986 году в провинции Хубэй в Китае. Сразу после падения этого метеорита группе ученых удалось найти и собрать образцы.«Это было наблюдаемое падение», - объясняет Шарп, который специализируется на изучении сотрясенных метеоритов, чтобы понять удары и удары в Солнечной системе. «Значит, оно не подвергалось никакому химическому выветриванию на Земле и, следовательно, не происходит изменения железа.
Бриджманит: доминирующий материал в нижней мантии
Образец метеорита Суйчжоу, который исследователи использовали для этого исследования, содержит особый силикат, называемый «бриджманит». Этот силикат считается доминирующим материалом в нижней мантии Земли и составляет около 38 объемных процентов нашей планеты. Впервые он был обнаружен в сотрясенном метеорите Тенхэм в 2014 году.
Хотя ранее считалось, что металлическое железо в основном содержится в ядре Земли, около 15 лет назад ученые обнаружили в лаборатории, что железо в бриджманите может подвергаться самоокислению, из которого оно может производить металлическое железо.
Этот процесс, химическая реакция, называемая «диспропорционирование заряда», заключается в том, что атомы перераспределяют электроны между собой и образуют две или три катионные формы с разными степенями окисления (в данном случае некоторые ионы Fe(II) в бриджманите превращаются в Fe(III) и Fe(0), последнее из которых образует металлическое железо).
Однако оставался вопрос, может ли этот процесс действительно происходить в природе.
Используя электронную микроскопию высокого разрешения и спектроскопию, исследователи смогли провести комплекс сложных анализов образца метеорита Суйчжоу в нанометровом масштабе.
С помощью этих анализов исследовательская группа обнаружила наночастицы металлического железа, сосуществующие с бриджманитом в образце ударного метеорита, что представляет собой первое прямое свидетельство в природе реакции диспропорционирования железа, которая до сих пор наблюдалась только в экспериментах при высоком давлении..
«Это открытие демонстрирует, что диспропорция заряда может происходить в естественных условиях высокого давления и, следовательно, в недрах Земли», - говорит Шим.
Значения этого исследования, однако, выходят за рамки только этого открытия и могут в конечном итоге помочь нам понять более важный вопрос о том, как была окислена сама Земля.
Хотя мы знаем, что верхняя мантия Земли подвержена большему окислению, чем другие планеты, и что более окислительные условия в верхней мантии могут быть связаны с внезапным повышением содержания кислорода в атмосфере 2,5 миллиарда лет назад, мы еще не знаем, знаете, как верхняя мантия Земли стала более окислительной.
«Возможно, что когда материалы нижней мантии переносятся в верхнюю мантию конвекцией, будет происходить потеря металлического железа, а окисленное железо в бриджманите вызовет более окислительные условия в верхней мантии», говорит Шим.
"Наше открытие обеспечивает возможное объяснение более окислительных условий в верхней мантии Земли и поддерживает идею о том, что глубинные внутренние процессы могли способствовать большому событию оксигенации на поверхности."