Железные сети расплава помогли росту ядра Земли, предполагает исследование

Ученые из Стэнфорда воссоздали экстремальные давления и температуры, характерные для глубоких недр Земли. Их открытие усложняет существующие теории формирования планеты и ее ядра.

Согласно новому исследованию, процесс, аналогичный просачиванию воды через кофейную гущу для приготовления эспрессо, мог сыграть ключевую роль в формировании ранней Земли и повлиять на ее внутреннюю структуру. Работа, опубликованная в журнале Nature Geoscience, подтверждает теорию, предложенную почти полвека назад. Она предполагает, что богатое железом ядро и слоистая внутренняя структура Земли могли сформироваться в серии этапов, происходивших на протяжении миллионов лет при различных температурах и давлениях.

Сегодня Земля имеет дифференцированные ядро и мантию, но путь к этому состоянию остается загадкой. Ученые полагают, что планета образовалась около 4.5 миллиардов лет назад из хаотичного скопления каменных и металлических тел. Одна из гипотез («магматический океан») предполагает полное расплавление планеты с последующим разделением веществ по плотности. Другая — механизм перколяции (просачивания), при котором расплавленное железо могло просачиваться через твердую силикатную мантию по сети каналов. Однако эта теория была поставлена под сомнение, когда эксперименты показали, что в верхней мантии расплавленное железо образует изолированные сферы, не способные создавать непрерывные каналы.

Эксперимент команды Венди Мао дал новые доказательства в пользу теории перколяции. Ученые поместили микроскопические образцы железа и силикатной породы между алмазными наковальнями, воссоздав чудовищное давление недр, и расплавили железо лазером. Исследование охлажденного образца с помощью рентгеновской томографии и современного микроскопа в SLAC с нанометровым разрешением показало, что при высоких давлениях и температурах, характерных для нижней мантии ранней Земли, структура силикатов меняется. Это изменение позволяет карманам расплавленного железа соединяться, формируя непрерывные каналы для просачивания.

«Ученые утверждали, что эта теория невозможна, но теперь мы говорим: при определенных условиях, которые, как мы знаем, существовали в планете, это могло произойти», — пояснила Венди Мао. Соавтор исследования Кристал Ши отметила, что оба механизма — и «магматический океан», и перколяция — могли работать вместе на разных этапах остывания планеты.