Команда дослідників на чолі з Хо-Кван Мао (Ho-Kwang Mao) з Інституту Карнегі в США, схоже, розкрила таємницю, яка давно хвилює геологів. Автори пояснили, з якого мінералу складаються зони уповільнення сейсмічних хвиль на границі ядра і мантії і відтворили в лабораторії процес його утворення. Якщо висновки вчених вірні, то такі зони виявляються гігантськими сховищами кисню, які можуть чинити вплив на історію життя на Землі. Наукова стаття з результатами дослідження опублікована в журналі Nature 22 листопада 2017 року.
Як дізнатися, що у нас під ногами? Це просте питання є головним болем для геологів. Свердловини, що ведуть до центру Землі, існують тільки на сторінках фантастичних книг, а в реальності рекордна глибина буріння ледь перевищує 12 кілометрів.
На допомогу вченим приходять сейсмічні хвилі. По-різному поширюючись в породах різної щільності, вони дозволяють проводити “УЗІ” надр нашої планети. Втім, інформація, яку вдається отримати шляхом сканування, неповна. Часто здобуті відповіді породжують лише нові питання. Власне, як і в будь-яких інших галузях науки.
На глибині 2900 кілометрів під поверхнею Землі лежить межа ядра і мантії. Геологи давно виявили тут області, в яких сейсмічні хвилі рухаються незвично повільно. Їх так і назвали зонами ультранизьких швидкостей, по-англійськи ultralow velocity zones, звідси абревіатура UVZ. Але що вони собою являють? Якийсь таємничий матеріал так уповільнює коливання земних надр?
Це питання обговорюється вченими давно, і вже запропоновано безліч гіпотез. Всі вони, однак, страждають одним недоліком: потрібно пояснити, як потрібна речовина взагалі виявилася на такій глибині.
Команда Хо-Кван, схоже, вбила двох зайців одним пострілом. Дослідники знайшли і відповідний мінерал, і простий механізм його утворення прямо на місці. Правда, цей успіх привів до питання, чи не потрібно що-небудь переглянути в історії біосфери Землі.
Мінерал, який полюбився авторам, – пероксид заліза FeO2Hx (кількість атомів водню може бути різною). Посилаючись на праці попередників, вони кажуть, що він є стабільним в умовах нижньої мантії.
- В Австралії знайшли сліди найбільшого ударного кратера на Землі
- Вчені прогнозують швидке зростання активності Сонця
- Штучний інтелект допоможе передбачати масштаб повені
Але звідки він там візьметься? Щоб відповісти на це запитання, вчені відтворили в лабораторії маленький шматочок пекельних глибин. Алмазні лещата стискали речовину, створюючи тиск у 860 тисяч атмосфер. Лазерний промінь, проникаючи крізь прозорі силіконові пластини, нагрівав реагенти до 1900 градусів Цельсія.
В цих умовах, як виявили автори, пероксид заліза утворюється з найпростіших компонентів: заліза і води. Заліза в ядрі Землі скільки завгодно – власне, з цього металу воно в основному і складається. А вода? Як стверджують автори, щорічно 300 мільйонів тонн води опускається в глибини мантії через рух тектонічних плит. За їх розрахунками, десятої частки води Світового океану вистачило б, щоб створити всі спостережувані UVZ. Для порівняння: за деякими оцінками, у надрах Землі, включаючи кору, мантію і ядро, води в 90 разів більше, ніж на поверхні.
Виходить, що потрібний мінерал утворюється на межі мантії і ядра з речовин, яких там бракує. Але чи справді він відповідає за картину, яка спостерігається на сейсмограмах?
Дослідники перевірили і це. Використовуючи експерименти і теоретичні розрахунки, вони виявили, що потрібні характеристики (швидкість звуку, щільність і так далі) має суміш, в якій 40-50% становить пероксид заліза, а решта припадає на звичайні породи нижньої мантії. Властивості такої суміші чудово узгоджуються зі спостережними даними про UVZ. Схоже, секрет загадкових “зон уповільнення” все-таки розкритий.
Але це відкриття ставить інші хвилюючі питання. Як пояснюється в прес-релізі дослідження, поклади пероксиду заліза є гігантським резервуаром кисню. Час від часу кисень може вивільнятися і досягати поверхні. Наслідки таких подій та їх можливий зв’язок з змінами клімату, масовими вимираннями та іншими грандіозними подіями ще тільки належить вивчити.