Ученые долго размышляли о том, как скалистые тела в Солнечной системе, включая нашу Землю, получили свои металлические ядра. Согласно исследованию, проведенному Техасским университетом в Остине, доказательства указывают на просачивание расплавленного металла вниз к центру планеты через крошечные каналы между зернами породы.
Это открытие ставит под сомнение интерпретацию предшествующих экспериментов и симуляций, которые пытались понять, как металлы ведут себя при сильном нагреве и давлении, когда формируются планеты. Прошлые результаты показали, что большая часть расплавленных металлов оставалась в изолированных порах между зернами. Напротив, новое исследование предполагает, что как только эти изолированные поры становятся достаточно большими, чтобы соединиться, расплавленный металл начинает течь, и большая его часть способна просачиваться вдоль границ зерен. Этот процесс позволит металлу просачиваться сквозь мантию, накапливаться в центре и формировать металлическое ядро, подобное железному ядру в сердце нашей родной планеты.
«Мы говорим о том, что как только сеть расплава становится связанной, она остается связанной до тех пор, пока почти весь металл не окажется в ядре», - сказал соавтор Марк Хессе, доцент Школы Джексона UT. кафедры геолого-геофизических наук и член Института вычислительной инженерии и наук UT.
Исследование было опубликовано 4 декабря в Proceedings of the National Academy of Sciences. Работа была докторской диссертацией Сохейла Ганбарзаде, получившего степень доктора философии. D. во время учебы на кафедре нефти и инженерии геосистем UT (ныне кафедра нефти и инженерии геосистем Хильдебранда). В настоящее время он работает инженером-разработчиком в BP America. Сохейла совместно консультировали Гессе и Маша Проданович, доцент кафедры Хильдебранда и соавтор.
Планеты и планетезимали (маленькие планеты и большие астероиды) образуются в основном из силикатных пород и металла. Часть процесса формирования планеты включает в себя разделение исходной массы материала на металлическое ядро и силикатную оболочку, состоящую из мантии и коры. Чтобы перколяционная теория формирования ядра работала, подавляющее большинство металла планетарного тела должно попасть в центр.
В этом исследовании Ганбарзаде разработал компьютерную модель для имитации распределения расплавленного железа между зернами горной породы по мере увеличения или уменьшения пористости или доли расплава. Моделирование проводилось в Техасском центре передовых вычислений. Исследователи обнаружили, что как только металл начинает течь, он может продолжать течь, даже если доля расплава значительно уменьшается. Это контрастирует с предыдущим моделированием, которое показало, что как только металл начинает течь, требуется лишь небольшое падение объема расплава, чтобы просачивание прекратилось.
«Люди предполагали, что вы разъединяете с той же долей расплава, с которой вы первоначально соединялись… и это оставит после себя значительное количество металла», - сказал Гессе. «Мы обнаружили, что когда металлический расплав соединяется и когда он разъединяется, это не обязательно одно и то же».
Согласно компьютерной модели, только от 1 до 2 процентов первоначального металла будет захвачено силикатной мантией, когда прекратится просачивание, что согласуется с количеством металла в мантии Земли.
Исследователи указывают на расположение зерен породы, чтобы объяснить различия в том, насколько хорошо связаны пространства между зернами. Предыдущая работа использовала геометрический рисунок правильных, идентичных зерен, в то время как эта работа основывалась на моделировании с использованием неправильной геометрии зерен, которая, как считается, более точно отражает реальные условия. Геометрия была сгенерирована с использованием данных образца поликристаллического титана, который был просканирован с помощью рентгеновской микротомографии.
«Численная модель, разработанная Сохейлом в его докторской диссертации, впервые позволила находить трехмерные сети расплава любой геометрической сложности», - сказал Проданович. «Наличие трехмерной модели является ключом к пониманию и количественной оценке того, как работает улавливание расплава».
Усилия окупились, потому что исследователи обнаружили, что геометрия оказывает сильное влияние на связность расплава. В зернах неправильной формы каналы расплава различаются по ширине, и самые крупные из них остаются связанными, даже когда большая часть металла стекает.
"Что мы сделали по-другому здесь, так это добавили элемент любопытства, чтобы увидеть, что происходит, когда вы сливаете расплав из пористой пластичной породы", - сказал Ганбарзаде.
Исследователи также сравнили свои результаты с сетью металлического расплава, сохранившейся в анхондритовом метеорите, типе метеорита, который произошел от планетарного тела, которое дифференцировалось на различимые слои. Рентгеновские снимки метеорита, сделанные на рентгеновской компьютерной томографии высокого разрешения школы Джексона, показали распределение металла, которое сравнимо с рассчитанными сетями расплава. Проданович сказал, что это сравнение показывает, что их моделирование отражает особенности, наблюдаемые в метеорите.
Исследование финансировалось программой Statoil Fellows Program в UT Austin и Национальным научным фондом.