Эксперимент запретил экстремально восстановительные условия в ранней магме Земли

Геофизики выяснили, что первичный магматический океан был либо умеренно окислительным, либо умеренно восстановительным. К такому выводу ученые пришли при объяснении аномально низкой доли ниобия относительно тантала в изученных образцах магмы. В основу работы легли эксперименты со смесью металлов и силикатов, которую сжимали и нагревали с помощью алмазной наковальни до условий, схожих с магматическими. Статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ниобий и тантал расположены один под другим в таблице Менделеева и обладают схожими химическими свойствами. Эти металлы занесены на молодую Землю метеоритами, и логично было бы предположить, что раз их свойства схожи и ведут они себя почти одинаково, то их соотношение в мантии должно оставаться таким же, как и в метеоритах. Как минимум, это истинно для других подобных пар, как цирон-гафний или церий-свинец.

Но оказалось, что во всех известных образцах мантии отношение ниобия к танталу меньше, чем в метеоритах, и пару десятков лет назад ученые назвали это ниобиевым парадоксом. У этого парадокса могло быть два объяснения: либо по какой-то причине произошла ошибка выборки, и в других местах ниобия наоборот больше, либо что-то заставляет вести его непохожим на тантал образом и опускаться ниже к металлическому ядру.

В целом, химические элементы могут быть литофильными — иметь сродство к силикатам, или сидерофильными — к железу. И ниобий, и тантал являются литофилами, но ученым известно, что, например, ванадий при очень высоком давлении (25 гигапаскалей) начинает вести себя как сидерофил. Предполагалось, что схожим образом ведет себя ниобий, и что именно это заставляет его отделяться от тантала и концентрироваться ближе к железному ядру. Однако, это предположение накладывает ограничения на химические условия первичного базальтового океана: его среда должна быть очень восстановительной, поскольку при большой концентрации оксида железа увеличение давления перестает повышать сидерофильность. Модель крайне восстановительного первичного базальтового океана гипотетически может быть верной, но требует дополнительного согласования с остальными знаниями об эволюции планет.

Между тем после распространения прессов с алмазными наковальнями и лазерным нагревом, которые позволяют добиться давления в десятки гигапаскалей и температуры более четырех тысяч градусов Цельсия, открылся неожиданный эффект. При очень больших температуре и давлении кислород растворяется в жидком металле, и коренным образом меняет распределение элементов между силикатным и металлическими расплавами.

Исходя из этого, Дунъян Хуан (Dongyang Huang) из Парижского университета и его коллеги решили по-новому подойти к ниобиевому парадоксу. Их работа состояла из двух частей: экспериментов с этими металлами в условиях, максимально близких к молодой Земле, и компьютерному моделированию земных недр на основе этих данных.

В качестве металлической части был взят сплав железа, никеля, ванадия и хрома, наиболее релевантный моделируемым условиям, а в роли мантии использовали диоксид кремния в смеси с оксидом марганца и другими элементами, в том числе оксидами ниобия и тантала. В серии экспериментов эту смесь нагревали до 4200 градусов Цельсия и сжимали до 75 гигапаскалей. Анализ показал, что как таковые нагрев и давление либо почти не влияют на сидерофильность ниобия и тантала, либо наоборот уменьшают их сродство к железу. Однако, поступивший из оксидов кислород, который растворился в жидком металле, все изменил.

В его присутствии и ниобий, и тантал увеличивают свою тягу к железу, но ниобий делал это до более высокого предела и с большей скоростью. На основе полученных данных ученые решили обновить модель формирования земных недр и использовать ее для вычислений. Они задавали разные исходные количества оксида железа в первичном магматическом океане, от очень малых до 20 процентов, фиксировали в качестве конечной точки нынешнее состояние (6 процентов), и смотрели за эволюцией. Ранее эта же модель требовала восстановительные условия для наблюдаемого распределения веществ, но теперь оказалось наоборот: модели с низкой концентрацией оксида железа дают меньшую долю ниобия относительно тантала, чем в изученных образцах. С наблюдаемой картиной стыкуются модели, которые предполагают либо умеренно окислительную, либо умеренно восстановительную магму, с концентрацией оксида железа от 2 до 18 процентов. Это позволяет разрешить ниобиевый парадокс без использования нереалистично экстремальных предпосылок.

Алмазные наковальни позволяют симулировать условия внутри разных планет, не только Земли. Например, удалось выяснить, что недра богатых углеродом планет должны быть полны алмазов, а в Гарвардском университете получили металлический водород, аналогичный тому, который должен находиться внутри газовых гигантов.

Василий Зайцев