Команда исследователей, возглавляемая Хо-Квангом Мао из Института Карнеги в Соединенных Штатах, похоже, раскрыла тайну, которая долгое время беспокоила геологов. Авторы объяснили, из какого минерала состоят зоны замедления сейсмических волн на границе ядра и мантии и воспроизвели процесс его образования в лаборатории. Если выводы ученых верны, то такие зоны оказываются гигантским хранилищем кислорода, которое может влиять на историю жизни на Земле. Научная статья с результатами исследования была опубликована в журнале Nature 22 ноября 2017 года.
Откуда мы знаем, что у нас под ногами? Этот простой вопрос — головная боль для геологов. Путешествие к центру Земли существует только на страницах фантастических книг, но на самом деле рекордная глубина бурения едва превышает 12 километров.
На помощь ученным пришли сейсмические волнаы, которые по-разному распространяются в породах разной плотности, они позволяют проводить «ультразвук» в самые недра нашей планеты. Однако информация, которая может быть получена при таком сканировании, является неполной. Часто полученные ответы только порождают новые вопросы. Собственно, как и в любой другой области науки.
На глубине 2900 км находится граница ядра и мантии. Геологи давно обнаружили области, в которых сейсмические волны движутся необычно медленно. Они назывались зонами сверхнизких скоростей, в английском сверхнизких зонах скорости, отсюда и аббревиатура UVZ. Но что это? Какой таинственный материал так замедляет вибрации земли?
Этот вопрос давно обсуждался учеными, и многие гипотезы уже были предложены. Однако все они имеют один недостаток: необходимо объяснить, как необходимое вещество в целом оказалось на такой глубине.
Кажется, что команда Хо-Квана убила двух зайцев одним выстрелом. Исследователи нашли подходящий минерал и простой механизм его формирования прямо на месте. Правда, этот успех привел к вопросу о необходимости пересмотра чего-то в истории биосферы Земли.
Минерал, который понравился авторами, представляет собой пероксид железа FeO2Hx (число атомов водорода может быть различным). Говоря о работе своих предшественников, они говорят, что они устойчивы в условиях нижней мантии.
Но откуда его можно получить? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые воссоздали небольшую часть инфернальных глубин в лаборатории. Алмазные захваты сжимали вещество, создавая давление в 860 тысяч атмосфер. Лазерный луч, проникающий сквозь прозрачные алмазные пластины, нагревал реагенты до 1900 градусов по Цельсию.
В этих условиях, как обнаружили авторы, пероксид железа образуется из простейших компонентов: железа и воды. Железа в ядре Земли столько, сколько необходимо — на самом деле, из этого металла в основном оно и состоит. И вода? По словам авторов, ежегодно 300 миллионов тонн воды опускается в глубины мантии из-за движения тектонических плит. Согласно их расчетам, десятой части воды Мирового океана было бы достаточно для создания всего наблюдаемого УВЗ. Для сравнения: по некоторым оценкам, в недрах Земли в 90 раз больше воды, включая кору, мантию и сердцевину, чем на поверхности.
Оказывается, необходимый минерал образуется на границе мантии и ядра из веществ, которых там достаточно. Но действительно ли это отвечает за картину, которая наблюдается на сейсмограммах?
Исследователи также проверили это. Используя эксперименты и теоретические расчеты, они обнаружили, что требуемые характеристики (скорость звука, плотность и т. Д.) Имеют смесь, в которой 40-50% представляет собой пероксид железа, а остальная часть находится в обычных породах нижней мантии. Свойства такой смеси отлично согласуются с наблюдательными данными по УВЗ. Похоже, что секрет таинственных «зон замедления» раскрыт.
Но это открытие вызывает другие интересные вопросы. Как поясняется в пресс-релизе исследования, отложения пероксида железа представляют собой гигантский резервуар для кислорода. Время от времени кислород может выделяться и достигать поверхности. Последствия таких событий и их возможная связь с изменением климата, массовыми вымираниями и другими грандиозными событиями еще предстоит изучить.