Геохимические детективы используют лабораторное моделирование, чтобы заглянуть в прошлое

Исследование под руководством Анат Шахар из Института Карнеги принесло неожиданные результаты о химии железа в условиях высокого давления, подобных тем, что, вероятно, существуют в ядре Земли, где преобладает железо и создаётся защищающее жизнь магнитное поле планеты. Результаты, опубликованные в журнале Science, могут пролить свет на ранние дни Земли, когда ядро формировалось в процессе дифференциации — когда более плотные материалы, такие как железо, опускались к центру, создавая слоистый состав планеты.

Сейсмические данные показывают, что в ядре, помимо железа, присутствуют «лёгкие» элементы, но их состав и концентрация остаются предметом дискуссий. Условия, включая давление и температуру, определяли, с какими элементами железо связывалось в процессе дифференциации. Таким образом, определение того, какие сплавы железа образовались, может рассказать учёным об условиях на ранней Земле.

Команда исследовала, как давление, имитирующее земное ядро, влияет на состав изотопов железа в различных сплавах с лёгкими элементами. Ранее давление не считалось критически важной переменной, влияющей на фракционирование изотопов (неравномерное распределение изотопов между продуктами реакции). Однако работа показала, что в экстремальных условиях высокого давления для железа это происходит.

Ключевое открытие заключается в том, что из-за этого высокотемпературного фракционирования реакции железа с двумя вероятными кандидатами на роль лёгких элементов в ядре — водородом и углеродом — оставили бы изотопный след в силикатах мантии. Но этот след не обнаружен в образцах мантийных пород, что позволяет исключить водород и углерод из списка вероятных лёгких элементов ядра. Кислород, напротив, не оставил бы такого следа, поэтому он остаётся в числе возможных кандидатов, как и кремний с серой, которые ещё предстоит изучить.

«Это означает, что мы лучше понимаем химическую и физическую историю нашей планеты, — пояснила Анат Шахар. — Доказательство того, что экстремальное давление влияет на распределение изотопов, следы чего мы можем видеть в образцах горных пород, — это огромный шаг вперёд в изучении геохимической эволюции нашей планеты».