Шлейфы горячих камней, вздымающиеся вверх из мантии Земли в вулканических горячих точках, содержат доказательства того, что годы формирования Земли могли быть даже более хаотичными, чем считалось ранее, согласно новой работе группы ученых Карнеги и Смитсоновского института, опубликованной в журнале Nature..
Хорошо известно, что Земля образовалась в результате аккреции материи, окружающей молодое Солнце. В конце концов планета выросла до таких размеров, что более плотный металлический металл погрузился внутрь, сформировав зачатки ядра Земли, оставив богатую силикатами мантию, плавающую над ней.
Но новая работа группы под руководством Инвэя Фэя из Карнеги и Колина Джексона из Карнеги и Смитсоновского института утверждает, что разделение мантии и ядра не было таким упорядоченным процессом.
«Наши результаты показывают, что, поскольку ядро было извлечено из мантии, мантия никогда полностью не перемешивалась», - объяснил Джексон. «Это удивительно, потому что формирование ядра произошло сразу после крупных столкновений с другими ранними объектами Солнечной системы, с которыми Земля столкнулась во время своего роста, подобно гигантскому столкновению, которое позже сформировало Луну. До сих пор широко считалось, что эти самые энергетические удары полностью перемешали бы мантию, смешав все ее компоненты в однородное состояние."
Дымящееся ружье, которое привело команду к их гипотезе, связано с уникальными и древними изотопными сигнатурами вольфрама и ксенона, обнаруженными в горячих точках вулканов, таких как Гавайи. Хотя считалось, что эти шлейфы возникли из самых глубоких областей мантии, происхождение этих уникальных изотопных сигнатур вызывает споры. Команда считает, что ответ заключается в химическом поведении йода, родительского элемента ксенона, при очень высоком давлении.
Изотопы - это разновидности элементов с одинаковым количеством протонов, но разным количеством нейтронов. Радиоактивные изотопы элементов, например йод-129, нестабильны. Для достижения стабильности йод-129 распадается на ксенон-129. Следовательно, изотопные характеристики ксенона в образцах мантии плюма напрямую связаны с поведением йода в период разделения ядра и мантии.
Используя ячейки с алмазными наковальнями для воссоздания экстремальных условий, при которых ядро Земли отделялось от ее мантии, Джексон, Фей и их коллеги - Нил Беннетт из Карнеги и Чжисю Ду и Элизабет Коттрелл из Смитсоновского института - определили, как йод распределяется между металлическим ядром и силикатная мантия. Они также продемонстрировали, что если зарождающееся ядро отделится от самых глубоких областей мантии, пока оно еще растет, то эти карманы мантии будут обладать химическим составом, необходимым для объяснения уникальных изотопных сигнатур вольфрама и ксенона, при условии, что эти карманы останутся несмешанными с остальная часть мантии вплоть до сегодняшнего дня.
По словам Беннетта: «Ключевое поведение, которое мы определили, заключалось в том, что йод начинает растворяться в активной зоне при очень высоких давлениях и температурах. В этих экстремальных условиях йод и гафний, которые радиоактивно распадаются на ксенон и вольфрам, демонстрируют противоположные предпочтения металла, образующего ядро. Такое поведение привело бы к тем же уникальным изотопным сигнатурам, которые теперь ассоциируются с горячими точками».
Расчеты группы также предсказывают, что изотопные сигнатуры вольфрама и ксенона должны быть связаны с плотными карманами мантии.
Подобно шоколадной крошке в тесте для печенья, эти плотные карманы мантии было бы очень трудно вернуть обратно, и это может быть решающим аспектом для сохранения их древних изотопных сигнатур вольфрама и ксенона до наших дней, - объяснил Джексон.
Еще более захватывающим является то, что появляется все больше геофизических свидетельств того, что на самом деле существуют плотные области мантии, покоящиеся прямо над ядром, называемые зонами сверхнизких скоростей и крупными провинциями с низкой скоростью сдвига. Эта работа связывает воедино эти наблюдения, - добавил Фей. - Разработанная здесь методология также открывает новые возможности для непосредственного изучения глубинных земных процессов».