21.10.2013

Ученые предложили новые гипотезы формирования ядра Земли

Ученые считают, что ядро Земли было сформировано не сразу.

Результаты экспериментов, которые проводились на образцах железа и горных пород в условиях сильного давления, привели к появлению новых гипотез о том, как происходило формирование ядра нашей планеты, сообщается в BBC News.

С использованием сложных рентгеновских аппаратов ученые из Стэндфордского университета наблюдали, как расплавленный металл перемещается через скалистые породы в условиях огромного давления.

Полученные результаты дают основание предполагать, что ядро Земли было сформировано не сразу: это был длительный процесс многоступенчатого формирования.

На поверхности твердые скалистые породы являются фундаментом городов. Это те камни, на которых мы строим жизнь; они снабжают нас необходимым сырьем – металлом, топливом, водой и другими жизненными ресурсами. Но все это – не более чем тонкий геологический слой планеты. Земные сокровища, спрятанные глубоко под ним, представляют не меньшую загадку, чем Юпитер или Марс.

Однако новые исследования, опубликованные в журнале Nature Geoscience, дают новые представления о строении ядра Земли и о том, как оно формировалось.

Группа ученых во главе с профессором из Стэнфорда Венди Мао продемонстрировала, как железо может быть вытеснено из скалистого кремния (силиката) на глубине более 1000 километров, чтобы сформировать металлическое ядро.

Керамическая мантия

Если бы вам пришлось отправиться вместе с Жюлем Верном к центру Земли, уже на первых 3000 километрах пути вы бы обнаружили, что вся химия здесь представлена лишь тремя элементами – кислородом, кремнием и магнием (плюс немного железа). Эти элементы составляют более 90% «керамической» мантии, так называемой подушки Земли.

Мантия, как шерсть, греющая овцу, является электро- и теплоизолятором для ядра. Каменистая часть планеты – это минералы мантии.

Преодолев большую часть пути, вы пересекаете границу от каменистой мантии к металлическому ядру. Физически в верхних участках оно представляет собой жидкость, которая по мере приближения к центру Земли затвердевает. Меняется химический состав, теперь железо является основным компонентом, образующим плотную внутреннюю сферу Земли.

Процесс образования земного ядра озадачивает ученых на протяжении уже многих лет. Эксперименты, проводимые на смесях силикатных минералов и железа, приготовленных в лаборатории, доказывают, что железо заключено в крошечные изолированные друг от друга «капсулы» горных пород, и только на стыках минеральных зерен железо получает выход в свет.

Капли железа

Это наблюдение наталкивает на мысль о том, что железо зародилось на планете очень рано, когда верхняя часть скалистой мантии была очень горячей и расплавленной. Считается, что капли железа образовывались из накрапывающей сверху раскаленной океанической магмы, оседали на твердую более глубокую мантию, создавая на ней фундамент, а затем, за счет действия силы тяжести, погружались сквозь твердую мантию к самому ядру.

Статья Кристалл Ши и Венди Мао предлагает другую теорию.

«Мы знаем, что Земля имеет ядро и мантию, и эти понятия отличаются друг от друга. С помощью инновационной аппаратуры мы можем наблюдать различные процессы и понимать заново, что на самом деле представляют собой эти структуры», – говорит профессор Мао.

Использование интенсивных рентгеновских лучей для исследования образцов, помещенных между кристаллами в условиях высоких температур и давления, позволило исследователям обнаружить, что глубоко в мантии при увеличении давления железная жидкость начинает «увлажнять» поверхности силикатных минеральных зерен. Это означает, что потоки железа могут объединяться в ручейки и протекать сквозь твердую мантию. Такой процесс называется «перколяция».

Это также означает и то, что железо может образовываться, если скалы достаточно глубоки, даже если мантия не является жидкой раскаленной массой.

«Для того, чтобы перколяция была эффективной, расплавленное железо должно иметь возможность формировать непрерывную сеть каналов в твердой почве, – объясняет профессор Мао. – Ученые говорят, что это невозможно, но мы утверждаем, что при определенных условиях, которые существуют на планете, всякое может случиться».

Таким образом, мы получаем еще одну возможность найти объяснение тому, как было сформировано ядро.

Джеффри Брумли из Университета Эдинбурга решил прокомментировать результаты и сообщил в интервью для BBC News:

«Эти новые данные доказывают, что формирование было не простым событием, имеющим одну стадию развития. Это был сложный многоступенчатый процесс, который оказал не менее сложное воздействие на современный химический состав Земли.

Модель перколяции означает, что раннее формирование ядра может иметь место только на больших планетах. Химический состав Земли, возможно, изменился в процессе образования ядра, которое развивалось не так, как на меньших по размеру планетах или астероидах. Поэтому мы, возможно, не сможем использовать геохимические данные, полученные из метеоритов».

Ученые провели 3D-моделирования крохотных образцов с использованием синхротронных ускорителей электронов, которые генерируют интенсивные пучки рентгеновских лучей. Такого рода эксперименты позволяют более точно установить свойства минералов и сплавов. Но они также приводят к новому пониманию того, как формируются и развиваются огромные объекты, такие как планеты.

Доктор Брумли в настоящее время исследует влияние и других факторов, таких как деформация, которой подвергаются астероиды и другие тела в процессе своего хаотического движения по ранней Солнечной системе.

Он добавил: «Сейчас задача состоит в поиске путей моделирования многочисленных процессов, участвующих в формирования ядра, с тем, чтобы понять их временные рамки и последующее влияние на химический состав не только Земли, но и других твердых тел внутренней Солнечной системы.

Мы всё пристальнее наблюдаем за металлическими ядрами в гораздо меньших по размеру телах, чем Земля. Какой процесс мог способствовать развитию и формированию ядер в телах, которые никогда не были достаточно масштабными для того, чтобы процесс перколяции в них стал возможен?»

Александр Федоров

Источники:

1. KM.RU