Сейсмологи выяснили, откуда взялся непонятный тонкий слой над ядром Земли

Сейсмологи выяснили, что вода с поверхности Земли может проникать глубоко внутрь планеты, приводя к изменениям во внешней области металлического жидкого ядра. Это открытие объясняет, откуда взялся ранее загадочный тонкий слой над ядром Земли, который десятилетиями озадачивал ученых.

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.

Иллюстрация недр Земли: погружающаяся вовнутрь вода и поднимающийся шлейф магмы. На границе, где вода встречается с ядром, происходит химический обмен, в результате которого образуется богатый водородом слой в самой верхней части внешнего ядра и плотный кремнезем в нижней части мантии. Изображение: Yonsei University

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.