Вчені проливають нове світло на D-шар Землі

Нові дослідження показують, що таємничий шар D” на межі ядра та мантії Землі міг утворитися із залишків раннього колосального удару, причому перекис, багатий на залізо, відіграє ключову роль у його унікальних і довговічних характеристиках.

Глибоко всередині Землі лежить таємничий шар, який називається шаром D. Розташована приблизно на 3000 кілометрів нижче, ця зона розташована трохи вище межі між розплавленим зовнішнім ядром планети та її твердою мантією. На відміну від ідеальної сфери, шар D” напрочуд нерівний. Його товщина сильно варіюється від місця до місця, у деяких регіонах взагалі відсутній шар D” – подібно до того, як континенти височіють над океанами Землі. Ці інтригуючі варіації привернули увагу геофізиків, які описують шар D як гетерогенну або неоднорідну область.

Нове дослідження під керівництвом д-ра Qingyang Hu (Центр передових досліджень науки і технологій високого тиску) і д-ра Jie Deng (Принстонський університет) припускає, що шар D” може походити з найдавніших днів існування Землі. Їхня теорія ґрунтується на гіпотезі гігантського удару, згідно з якою об’єкт розміром з Марс врізався в протоземлю, утворивши після цього магматичний океан масштабу планети. Вони вважають, що шар D” може бути унікальною композицією, що залишилася від цього колосального удару, потенційно зберігаючи ключі до формування Землі.

Вода в океані магми

Доктор Цзе Ден підкреслює наявність значної кількості води в цьому глобальному магматичному океані. Точне походження цієї води залишається предметом дискусій, висуваються різні теорії, включно з її утворенням в результаті реакції між туманним газом і магмою або прямої доставки кометами. «Переважаюча точка зору, — продовжує доктор Денг, — передбачає, що вода, охолоджуючись, концентрувалася на дні магматичного океану. На останніх стадіях магма, найближча до ядра, могла містити об’єм води, який можна порівняти з сучасними океанами Землі».

Умови екстремального тиску та температури в донному магматичному океані створили б унікальне хімічне середовище, сприяючи несподіваним реакціям між водою та мінералами. Доктор Qingyang Hu пояснює: «Наше дослідження показує, що цей водний магматичний океан сприяв утворенню багатої залізом фази, яка називається пероксидом заліза та магнію». Цей пероксид із формулою (Fe, Mg)O2 має ще сильнішу перевагу заліза порівняно з іншими основними компонентами, які очікуються в нижній мантії. «Згідно з нашими розрахунками, його спорідненість із залізом могла призвести до накопичення пероксиду, що домінує залізо, у шарах товщиною від кількох до десятків кілометрів.

Присутність цієї багатої на залізо пероксидної фази змінила б мінеральний склад шару D”, відхиляючись від нашого поточного розуміння. Згідно з новою моделлю, в мінералах у D” домінуватиме нова група: бідний силікат, багатий на залізо (Fe, Mg) пероксид і бідний на залізо (Fe, Mg) оксид. Цей перекис із домінуючим вмістом заліза також має низькі сейсмічні швидкості та високу електропровідність, що робить його потенційним кандидатом для пояснення унікальних геофізичних особливостей шару D. Ці особливості включають в себе зони наднизьких швидкостей і шари високої провідності, що сприяє добре відомій композиційній неоднорідності шару D”.

«Наші висновки свідчать про те, що багатий на залізо пероксид, який утворився з давньої води в магматичному океані, відіграв вирішальну роль у формуванні неоднорідних структур шару D», — сказав Ціньян. Сильна спорідненість цього перекису із залізом створює різкий контраст щільності між цими багатими залізом плямами та навколишньою мантією. По суті, він діє як ізолятор, запобігаючи їх змішуванню та потенційно пояснюючи тривалу неоднорідність, що спостерігається в основі нижньої мантії. Цзе додав: «Ця модель добре узгоджується з останніми результатами числового моделювання, що свідчить про те, що неоднорідність нижньої мантії може бути довгоживучою особливістю».