Остатки древнего океана и столкновения планет: ученые пролили новый свет на загадочный слой D Земли

Исследование предполагает, что слой D Земли, расположенный вблизи границы ядра и мантии, образовался из океана магмы, созданного в результате массивного удара. Пероксид железа и магния, образующийся из воды в этом океане, объясняет уникальный состав и неоднородность слоя D.

Новое исследование предполагает, что загадочный слой D на границе ядра и мантии Земли, возможно, образовался из остатков раннего массивного удара, причем ключевую роль в его уникальных и устойчивых свойствах сыграла богатая железом перекись.

Глубоко внутри Земли находится загадочный слой, называемый слоем D. Этот регион расположен на глубине примерно 3000 километров и лежит над границей между расплавленным внешним ядром планеты и ее твердой мантией. В отличие от идеальной сферы, слой «D» на удивление неполный. Его толщина сильно варьируется от места к месту, а в некоторых районах вообще отсутствует слой «D» — точно так же, как континенты возвышаются над океанами Земли. Эти интересные различия привлекли внимание геофизиков, которые описали слой D как гетерогенную или неоднородную область.

Новое исследование, проведенное доктором Цинъяном Ху (Исследовательский центр науки о высоком давлении и передовых технологиях) и доктором Цзе Дином (Университет Принстон) указывает на то, что слой D мог возникнуть в первые дни существования Земли. Их теория основана на гипотезе гигантского удара, которая предполагает МарсОбъект большого размера столкнулся с прото-Землёй, создав после этого океан магмы по всей планете. Они полагают, что слой D может представлять собой уникальный состав остатков этого массивного удара, потенциально содержащий доказательства формирования Земли.

Вода в океане магмы

Доктор Цзе Дин подчеркивает наличие большого количества воды в этом глобальном океане магмы. Точное происхождение этой воды остается предметом споров, поскольку были предложены различные теории, включая ее образование в результате взаимодействия газа туманности и магмы или прямой доставки кометами. «Преобладающая точка зрения состоит в том, что вода концентрировалась на дне океана магмы по мере охлаждения», — продолжает доктор Дин. На заключительных стадиях магма, ближайшая к ядру, могла содержать такое же количество воды, как и в современных океанах Земли.

Экстремальные условия давления и температуры в нижних слоях океана магмы создали уникальную химическую среду, способствующую неожиданным взаимодействиям между водой и минералами. «Наши исследования показывают, что этот водный океан магмы способствовал образованию богатой железом фазы, называемой пероксидом железа и магния», — объясняет доктор Цинъян Ху. Этот пероксид с формулой (Fe, Mg)O2 имеет более сильное предпочтение к железу, чем другие основные компоненты, ожидаемые в нижней мантии. «По нашим расчетам, его связывание с железом могло привести к накоплению пероксида железа слоями толщиной от нескольких до десятков километров.

Образование гетерогенной структуры на границах ядра мантии Земли. Фото: China Science Press

Присутствие фазы пероксида, богатой железом, изменило бы минеральный состав слоя D, что отклоняется от нашего нынешнего понимания. Согласно новой модели, в минералах D будет доминировать новая группа: бедные железом силикаты, богатые железом пероксиды (Fe, Mg) и бедные железом оксиды (Fe, Mg). Этот пероксид с преобладанием железа также имеет низкие сейсмические скорости и высокую электропроводность, что делает его вероятным кандидатом на объяснение уникальных геофизических особенностей слоя D. Эти особенности включают в себя области очень низких скоростей и слоев с высокой проводимостью, оба из которых способствуют известному неоднородность состава слоя D.

«Наши результаты показывают, что богатая железом перекись, образовавшаяся из древней воды в океане магмы, сыграла решающую роль в формировании гетерогенных структур слоя D», — сказал Цинъян. Сильное сродство этой перекиси к железу создает резкий контраст плотности между этими богатыми железом участками и окружающей мантией. По сути, он действует как изолятор, предотвращая их смешивание и потенциально объясняя долговременную гетерогенность, наблюдаемую в основании нижней мантии. «Эта модель хорошо согласуется с недавними результатами численного моделирования, предполагая, что неоднородность нижней мантии может быть долгосрочной особенностью», — добавил Цзи.

Ссылка: «Граница ядра и мантии Земли, образованная в результате кристаллизации водного океана из земной магмы», Цинъян Ху, Цзи Дин, Юцай Чжуан, Чжэньчжун Ян и Ронг Хуан, 13 мая 2024 г., Национальный научный обзор.
дои: 10.1093/nsr/nwae169