Ядро Земли протекает: как выбросы из центра планеты сформировали аномалии под океанами

Для легкости восприятия, Землю обычно описывают как слоеный пирог: кора, мантия, ядро. Ну и кажется что всё просто — четкие границы, понятная физика. Но сейсмологи давно знают, что эта картина неполная. Глубоко внизу, на границе ядра и мантии, существуют гигантские аномалии.

Ученые называют их LLSVPs — крупные области с низкой скоростью сдвига. Это две колоссальные структуры под Африкой и Тихим океаном. Они замедляют сейсмические волны. Они плотнее окружающей породы, и они существуют там миллиарды лет.

Откуда они взялись? Долгое время господствовала теория остаточного океана магмы. Но она не сходилась с математикой. Новое исследование Цзе Дэна и его коллег, предлагает решение, ставя под сомнение представление о герметичности земного ядра.

Ядро не изолировано. Оно постоянно подкидывает материал в мантию.

Почему старая модель сломалась?

Сначала факты. Ранняя Земля была горячей настолько, что нижняя часть мантии, вероятно, была расплавлена. Это и есть Базальный магматический океан (БMO). Со временем он остывал и кристаллизовался.

Когда магма такого состава застывает, она должна производить много ферропериклаза. Это минерал, богатый железом. Если бы LLSVPs были просто застывшими остатками древнего магматического океана, они были бы переполнены железом.

Такая порода была бы слишком плотной. Сейсмические волны вели бы себя иначе, чем мы видим на приборах. Старая модель БMO предсказывает слой, который не совпадает с реальностью. Данные томографии показывают содержание ферропериклаза около 6-10%. Расчеты по старой модели дают 20% и более.

Разрыв между теорией и наблюдением был очевиден. Нужно менять переменные.

BECMO: океан, загрязненный ядром

Авторы исследования ввели новый фактор. Они назвали его BECMO — Базальный магматический океан, загрязненный экссольвентами (выделениями) из ядра.

Разберем механизм.

Ядро Земли состоит не только из железа и никеля. В нем растворены легкие элементы: кремний (Si), магний (Mg) и кислород (O). По мере остывания планеты ядро становится перенасыщенным этими элементами. Оно больше не может удерживать их в жидком металле.

Происходит процесс экссольвации. Ядро выплевывает эти элементы в виде твердых кристаллов оксидов — SiO₂ (кремнезем) и MgO (оксид магния).

Эти кристаллы легче металла ядра. Они всплывают к границе с мантией. Там они встречаются с тем самым древним магматическим океаном. И вместо того чтобы просто скапливаться, они растворяются в нем.

Химия решает физику

Именно этот постоянный приток кремния (SiO₂) из ядра все и меняет.

1. Баланс минералов: дополнительный кремний вступает в реакцию с магмой. Это подавляет образование того самого проблемного ферропериклаза.
2. Плотность: вместо тяжелого, перенасыщенного железом слоя мы получаем породу, состав которой идеально соответствует сейсмическим данным LLSVPs.
3. Структура: этот процесс объясняет не только сами крупные провинции, но и зоны ультранизких скоростей (ULVZs) — тонкие, очень плотные участки на самом дне мантии.

Имеем работающую химическую модель, которая объясняет наблюдаемую физику.

Улики на поверхности: о чем говорят вулканы?

На бумаге звучит красиво, но где доказательства? Мы не можем пробурить скважину на глубину 2900 километров. Однако Земля сама доставляет образцы на поверхность.

Речь идет о базальтах океанических островов. Это лава, извергающаяся на Гавайях или в Исландии. Геохимики давно заметили, что изотопный состав этой лавы странный.

• Изотопы кремния: в этих базальтах обнаруживается легкий кремний. Это нетипично для обычной мантии. Но это идеально совпадает с кремнием, который должен был прийти из ядра.
• Благородные газы: в лаве находят древние изотопы гелия и неона. Им неоткуда взяться, кроме как из первичного резервуара, сохранившегося со времен формирования планеты. Или из ядра.

Модель BECMO связывает эти точки. Кристаллы из ядра захватывают с собой эти редкие изотопы. Они растворяются в нижнем слое мантии (будущих LLSVPs). Затем мантийные плюмы — горячие потоки породы — поднимают этот материал к поверхности, где он извергается в виде лавы.

Вулкан на Гавайях фактически извергает материал, который был химически модифицирован ядром Земли.

Единый механизм

Сила этой работы в том, что она объединяет разрозненные аномалии в одну систему.

У нас были сейсмические данные, которые не вписывались в модели. У нас были геохимические странности в лаве, которые требовали объяснения. У нас была проблема с составом нижней мантии.

Исследование Дэнга и коллег показывает, что все это — следствия одного процесса. Остывающее ядро непрерывно меняет химию мантии над ним. Граница между ними — это активная зона обмена веществом.

Источник: researchsquare