Оксид железа под большим давлением указал на окисленность мантии Земли
Ученые из США и Германии вынудили оксид железа (II) в силикатных минералах диспропорционировать на высший оксид Fe2O3 и металлическое железо под действием давления до 23 гигапаскалей. Результаты исследования, опубликованного в журнале Science, могут служить доказательством того, что окисленность верхней мантии повысилась, а, следовательно, появилась и возможность для кислорода и воды поступать на поверхность Земли благодаря именно этому процессу. Более того, образовавшийся градиент окисленности, по предположению авторов, позволил растворенному углекислому газу из атмосферы осадиться в виде алмазов.
Большое влияние на состав и эволюцию атмосферы Земли оказало то, насколько окисленной была верхняя мантия в первые 500 миллионов лет формирования планеты. От этого зависела степень окисления летучих соединений, которые попадали из недр в атмосферу. Еще до того, как металлическое ядро полностью сформировалось, в мантии было мало кислорода, и в атмосферу проникали такие газы как СО, метан и водород. Кислород бы не смог попасть из недр в атмосферу, не прореагировав с ними.
Окислительно-восстановительные условия определяют по фугитивности кислорода. В древнейших минералах значения этого параметра указали на то, что окисленное состояние верхней мантии увеличилось примерно на пять порядков с начала формирования горных пород. Некий окислительный процесс позволил углекислому газу и парам воды высвободиться из мантии.
Согласно основной теории, мантия «окислилась» водяными парами, а лишний водород улетучился в космос. В какой-то мере этот процесс мог осуществиться, однако неразрешенным остается вопрос, осталось ли достаточно воды внутри Земли после формирования ядра, чтобы окислить значительный слой мантии.
Другая теория предполагает, что благодаря кристаллизации самого распространенного минерала нижней мантии — бриджманита (силикат-перовскита) — произошло диспропорционирование оксида железа (II) и более окисленные формы поднялись с конвекционными потоками в верхние слои. Эксперименты показали, что в этом минерале содержалось много трехвалентного железа в равновесии с металлическим железом, которое затем опустилось до ядра.
Диспропорционирование FeO в условиях высоких давлений наблюдали и в силикатах. Под действием высоких давлений изменение объема диспропорционирующей смеси должно быть отрицательным, однако в ранних экспериментах, в которых давление повышали до семи гигапаскалей, изменение объема оказывалось положительным. Знак этого изменения экспериментально можно определить по зависимости доли окисленного железа от давления при постоянной фугитивности кислорода. Теоретические модели предсказывают, что при более высоких давлениях изменение объема становится отрицательным.
Катерин Армстронг (Katherine Armstrong) с коллегами из Калифорнийского университета показали, что по такому же механизму оксид железа (II) диспропорционирует в жидких силикатах в условиях нижней мантии при давлении до 23 гигапаскалей и предположили, что окисленность мантии неизбежно зависела от формирования как минимум одного магматического океана.
Ученые проводили эксперименты над более окисленным и более восстановленными образцами в присутствии буфера, который поддерживал фугитивность кислорода. После установления равновесия в силикатных расплавов под давлением от 4 до 23 гигапаскалей авторы охладили образцы и проанализировали их на относительное содержание железа в высшей степени окисления методом Мессбауэровской спектроскопии. В своих расчетах они опирались на предположение о том, что это соотношение не изменилось в процессе кристаллизации, так как на границе стеклообразной и кристаллической фазы оно было похожим, а в образцах не было соединений в достаточных концентрациях, чтобы значительно изменить его.
До 10 гигапаскалей доля окисленной формы уменьшалось с повышением давления, но при более высоких значениях концентрация Fe3+ стала увеличиваться. Авторы утверждают (и их теоретические модели это подтверждают), что такое необычное поведение объясняется тем, что сжимаемость расплавленного высшего оксида при высоких давлениях больше, чем низшего, поэтому измеряемая доля Fe3+ уменьшается с ростом давления.
Как утверждают ученые, обеднение мантии металлом и повышение концентрации железа в высшей степени окисления из-за диспропорционирования могло произойти еще до формирования ядра. Градиент фугитивности кислорода в глубоком магматическом океане, вероятно, привел к растворению небольших количеств углекислого газа атмосферы в магме и дальнейшего осаждения в виде алмазов.
Ранее ученые находили алмазы с включениями железных сплавов, что доказало наличие жидких металлических фаз в мантии и областей с сильными восстановительными свойствами. Больше о внутренних слоях Земли и о том, как их изучают можно прочитать в нашем материале «Горы внутри».
Алина Кротова
Поток вулканических продуктов прокатился по дну со скоростью до 122 километров в час более чем на 100 километров
Исследовав донные отложения, образовавшиеся после взрыва вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай, ученые обнаружили, что пирокластические продукты распространились под водой на расстояние свыше 100 километров. Данные о времени и протяженности повреждений телекоммуникационных кабелей показывают, что скорость разрушительного подводного потока достигала 121,8 километра в час. Об этом сообщают статьи (1, 2), опубликованные в Science. Мощное взрывное извержение подводного вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай, расположенного в архипелаге Тонга в южной части Тихого океана, произошло 15 января 2022 года. Оно подняло столб пепла и газа на 58 километров и породило цунами высотой до 90 метров. Отголосок извержения в виде волн Лэмба был зарегистрирован в Москве (об этом можно прочитать в нашем материале «Четыре сигнала Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай»). В результате извержения Королевство Тонга лишилось внутренней и внешней связи по подводным телекоммуникационным кабелям, которые оказались оборваны. Первоначально считалось, что обрывы произошли из-за вызванных извержением локальных оползней. Майкл Клэр (Michael Clare) из британского Национального океанографического центра и его коллеги из Австралии, Великобритании, Германии, Тонга и Новой Зеландии показали, что это не так. За повреждение кабелей ответственны подводные потоки пирокластических продуктов Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай, признаки которых ученые нашли при анализе батиметрических данных и кернов, отобранных при бурении океанского дна вблизи острова. Эти потоки сошли по склонам вулканической постройки после обрушения эруптивной колонны ― пепло-газового столба, выброшенного взрывом. Батиметрические данные показывают, что после извержения на участках наибольшей крутизны (около 45 градусов) до расстояния 9,2 километра от кальдеры появились области интенсивной эрозии ― промоины волнообразного профиля глубиной до 100 метров и шириной до двух километров. Объем изъятой из них породы оценивается в 3,5 кубических километра ― более половины пирокластического материала, рухнувшего на склоны Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай (около шести кубических километров). С уменьшением крутизны весь этот материал стал отлагаться на дне: более крупнозернистый был обнаружен в кернах на расстоянии не менее 80 километров, мелкозернистый ― в 108 километрах от кальдеры. Он перекрывается слоем тонкодисперсного осадка, который Клэр с коллегами интерпретировали как результат последующего выпадения рассеянного в атмосфере пепла. Ученые предположили, что сначала горячие лавины, скатившиеся по подводным склонам в нескольких направлениях, практически не отличались от наземного пирокластического потока. Они несли много тяжелого крупнозернистого материала и были насыщены газами и паром. Затем из-за смешивания с морской водой и охлаждения они приобрели свойства мутьевых потоков ― суспензии из воды и мелких частиц. Подводный кабель внутренней сети Тонга, проложенный в 15 километрах от Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай, пострадал через 9–15 минут после взрыва. Он оказался поврежден на протяжении 105 километров. Расчетные скорости оборвавших его пирокластических лавин составили 63,5–105,8 и 73,1–121,8 километра в час. Преодолев около 70 километров по извилистым траекториям, потоки через 83–89 минут после взрыва достигли транстихоокеанского телекоммуникационного кабеля и повредили 89 километров его длины. Здесь скорость одной из лавин составляла от 47,2 до 50,7 километра в час, а другой ― 31,8–34,1 километра в час. Столь быстрый сход подводных вулканокластических потоков (максимальная скорость около 70 километров в час была зарегистрирована для оползня у берегов Ньюфаундленда) связан, по мнению исследователей, с высокой крутизной склонов Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай и почти отвесным обрушением эруптивной колонны. Авторы другой статьи, британские геологи Ребекка Уильямс (Rebecca Williams) из Университета Халла и Пит Роули (Pete Rowley) из Бристольского университета, указывают, что аналогичные признаки эрозии склонов обнаружены у некоторых других подводных вулканов, и они также могут быть интерпретированы как следы мощных взрывных извержений. Их изучение в рамках модели, предложенной Клэром и его коллегами, поможет точнее оценить риски при подводных и прибрежных извержениях. Ранее N + 1 уже рассказывал о взрыве вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай. Так, мы сообщали, что одним из последствий этого извержения может стать рост антарктической озоновой дыры.