Ziemia mogła oddać swoje najskrytsze sekrety dwóm kalifornijskim geochemikom, którzy wykorzystali rozległe symulacje komputerowe, aby poskładać najwcześniejszą historię jądra naszej planety.
Ten schemat skorupy ziemskiej i płaszcza pokazuje wyniki ich badań, które wykazały, że ekstremalne ciśnienia spowodowałyby skoncentrowanie cięższych izotopów żelaza w pobliżu dna płaszcza, gdy krystalizowało się ono z oceanu magmy.
Używając superkomputera do wirtualnego wyciskania i podgrzewania minerałów zawierających żelazo w warunkach, które istniałyby, gdy Ziemia skrystalizowała się z oceanu magmy do jej stałej postaci 4,5 miliarda lat temu, obaj naukowcy z University of California w Davis - stworzyli pierwszy obraz tego, jak różne izotopy żelaza były początkowo rozmieszczone w stałej Ziemi.
Odkrycie to może zapoczątkować falę badań nad ewolucją płaszcza Ziemi, warstwy materiału o głębokości około 1800 mil, która rozciąga się od cienkiej skorupy planety do metalowego jądra.
„Teraz, gdy mamy już pojęcie o tym, jak te izotopy żelaza zostały pierwotnie rozmieszczone na Ziemi”, powiedział główny autor badań James Rustad, „powinniśmy być w stanie wykorzystać izotopy do śledzenia wewnętrznego działania silnika Ziemi”.
Artykuł opisujący badanie Rustada i współautora Qing-zhu Yina został opublikowany online przez czasopismoNature Geoscience w niedzielę, 14 czerwca, przed publikacją drukowaną w lipcu.
Rozległy płaszcz umieszczony między skorupą ziemską a jądrem stanowi około 85 procent objętości planety. W ludzkiej skali czasu ta ogromna część naszej kuli wydaje się być solidna. Ale przez miliony lat ciepło ze stopionego rdzenia i radioaktywny rozkład płaszcza powodowały, że powoli zaczął się on pienić, jak gęsta zupa na małym ogniu. Cyrkulacja ta jest siłą napędową ruchu powierzchniowego płyt tektonicznych, które budują góry i powodują trzęsienia ziemi.
Jednym ze źródeł informacji zapewniających wgląd w fizykę tej lepkiej masy są cztery stabilne formy, czyli izotopy żelaza, które można znaleźć w skałach, które wzniosły się na powierzchnię ziemi na grzbietach oceanu środkowego, gdzie występuje rozprzestrzenianie się dna morskiego, oraz w punktach zapalnych jak wulkany Hawajów, które przebijają się przez skorupę ziemską. Geolodzy podejrzewają, że część tego materiału pochodzi z granicy między płaszczem a rdzeniem około 1800 mil pod powierzchnią.
„Geolodzy używają izotopów do śledzenia procesów fizyko-chemicznych w naturze, tak jak biolodzy wykorzystują DNA do śledzenia ewolucji życia”, powiedział Yin.
Ponieważ skład izotopów żelaza w skałach będzie się różnić w zależności od warunków ciśnieniowych i temperaturowych, w których powstała skała, Yin powiedział, w zasadzie, geolodzy mogą używać izotopów żelaza w skałach zgromadzonych w gorących punktach na całym świecie, aby śledzić historię geologiczną płaszcza . Aby to zrobić, najpierw musieliby wiedzieć, w jaki sposób izotopy zostały pierwotnie rozmieszczone w pierwotnym oceanie magmy na Ziemi, gdy schłodził się i stwardniał.
Yin i Rustad badali, w jaki sposób konkurujące skutki ekstremalnego ciśnienia i temperatury głęboko we wnętrzu Ziemi wpłynęłyby na minerały w dolnym płaszczu, strefie rozciągającej się od około 400 mil pod skorupą planety do granicy rdzenia-płaszcza. Temperatury do 4500 stopni Kelvina w tym regionie zmniejszają różnice izotopowe między minerałami do minimalnego poziomu, podczas gdy ciśnienia zgniatania mają tendencję do zmiany podstawowej formy samego atomu żelaza, zjawisko znane jako elektronowe przejście spinowe.
Para obliczyła skład izotopów żelaza dwóch minerałów w zakresie temperatur, ciśnień i różnych stanów spinów elektronicznych, o których obecnie wiadomo, że występują w dolnym płaszczu. Te dwa minerały, ferroperowskit i ferroperiklaza, zawierają praktycznie całe żelazo występujące w tej głębokiej części Ziemi.
Obliczenia były tak skomplikowane, że każda seria, w której Rustad i Yin przebiegały przez komputer, wymagała miesiąca.
Yin i Rustad ustalili, że ekstremalne ciśnienia spowodowałyby skoncentrowanie cięższych izotopów żelaza w pobliżu dna krystalizującego płaszcza.
Naukowcy planują udokumentować zmienność izotopów żelaza w czystych chemikaliach poddanych w laboratorium temperaturom i ciśnieniom równoważnym z tymi znajdowanymi na granicy płaszcza-rdzenia. W końcu, powiedział Yin, mają nadzieję, że ich teoretyczne prognozy zostaną zweryfikowane w próbkach geologicznych wygenerowanych z dolnego płaszcza.
Źródło: Eurekalert
