Сейсмологи выяснили, откуда взялся непонятный тонкий слой над ядром Земли

На протяжении миллиардов лет тектонические плиты Земли перемещали воду вниз через зоны субдукции, где они растирались и скользили друг под другом. Достигнув границы ядра и мантии, расположенной примерно в 2900 километрах под поверхностью, вода вызывает мощное химическое взаимодействие.

Усилиями международной группы исследователей были проведены эксперименты под высоким давлением, показавшие, что это взаимодействие приводит к образованию обогащенного водородом верхнего слоя ядра и транспортировке кремнезема в нижнюю мантию.

Этот слой, известный как слой E, был идентифицирован сейсмологами, изучавшими внутреннее устройство планеты несколько десятилетий назад. Недавнее же исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience, раскрывает роль поверхностной воды в изменении состава металлического жидкого ядра.

Это открытие бросает вызов преобладающему мнению, согласно которому материальный обмен между ядром Земли и мантией минимален. Вопреки этому представлению, эксперименты показали: когда вода достигает границы ядро-мантия, она вступает в реакцию с кремнием в ядре, образуя кремнезем.

Последствия понимания этой динамики играют огромную роль, особенно в понимании роли внутреннего устройства Земли, а отдельно — состава железа и никеля внешнего ядра, имеющих решающее значение для создания магнитного поля планеты, защиты от солнечных ветров и радиации.

Химические процессы, происходящие на границе ядра и мантии Земли, остаются в значительной степени неизученными. Недавние открытия позволяют предположить, что устойчивый химический обмен между ядром и мантией, которому способствует глубокая транспортировка воды на протяжении огромных периодов времени, может способствовать формированию этого загадочного слоя.

Изменения плотности, которые, вероятно, происходят из-за различных концентраций легких элементов, таких как водород или кремний, намекают на менее плотный и медленный сейсмический слой жидкого металла.

Однако согласование сейсмических наблюдений с динамической стабильностью слоя E — это непростая задача, особенно учитывая, что увеличение концентрации одного легкого элемента обычно приводит к более высокой скорости и более низкой плотности.

Чтобы воспроизвести условия на границе ядра и мантии, исследовательская группа использовала нагретые лазером ячейки с алмазными наковальнями. Эксперименты показали, что вода, погруженная в ядро ​​Земли, вступает в химическую реакцию с материалами ядра, превращая внешнее ядро ​​в богатую водородом пленку и рассеивая кристаллы кремнезема, которые поднимаются и интегрируются в мантию.

Образующийся в результате слой богатого водородом и бедного кремнием материала на вершине ядра демонстрирует пониженную плотность и скорость, что соответствует наблюдаемым моделям сейсмических волн.

Помимо воздействия на глубоководный круговорот воды, эта модифицированная пленка керна предполагает более сложный глобальный водный цикл, чем предполагалось ранее. Авторы работы подчеркивают, что открытие в сочетании с их более ранними наблюдениями за образованием алмазов из воды, вступающей в реакции с углеродом под экстремальным давлением, указывает на более динамичное взаимодействие ядра и мантии, и это тоже указывает на существенный материальный обмен.