Китайские геохимики промоделировали состояние вещества во внутреннем ядре Земли на основе предположения о том, что главный его компонент (железо) образует суперионные сплавы с легкими элементами — водородом, углеродом и кислородом. Предложенная модель позволила объяснить несоответствие между расчетной и измеренной скоростью сейсмических волн во внутреннем ядре, а с учетом влияния геомагнитного поля — и его сейсмическую анизотропию. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Главный источник данных о строении глубоких недр Земли — это объемные сейсмические волны двух типов: продольные, или волны сжатия (обозначаются символом P), и поперечные, или сдвиговые S-волны. Они рождаются вместе, но при распространении более медленные S-волны отстают, а кроме того, они могут распространяться только в твердом теле. Скорость и тех, и других волн зависит от плотности и упругости среды, что дает возможность получить информацию о свойствах вещества в недрах. Именно анализ сейсмических данных позволил в начале XX века обнаружить ядро как структурный элемент планеты, а в 1930-х годах показал, что внутри него существует поверхность раздела. В ходе последующих исследований ученые установили, что эта поверхность ограничивает внутреннюю часть ядра радиусом 1220–1230 километров. Данные об изменениях скорости сейсмических волн привели к выводу о том, что вещество в ней находится в твердом, кристаллическом состоянии.
Ядро недоступно для прямого химического анализа. О его составе судят исходя из относительной распространенности элементов, теоретических представлений о формировании планет и модельных экспериментов, а также ограничений, налагаемых на плотность по результатам сейсмологических и гравиметрических наблюдений. Главный компонент ядра — железо, в меньших количествах присутствуют никель и другие сидерофильные элементы — кобальт, молибден, осмий, иридий и прочие. Но целиком металлическое ядро оказалось бы слишком плотным. Поэтому не только жидкое внешнее, но и внутреннее твердое ядро должны содержать и легкие примеси, такие как сера, кремний, кислород, углерод, водород.
Температура внутреннего ядра оценивается примерно в 5400–5700 кельвин. Давление, согласно Предварительной эталонной модели Земли (PREM), в которой распределение физических характеристик планеты представлено как функция радиуса, составляет приблизительно 330–360 гигапаскалей. В таких условиях железо кристаллизуется с образованием так называемой гексагональной плотнейшей упаковки атомов, или hcp-модификации.
В числе прочих характеристик PREM включает и расчетные скорости сейсмических волн на разных глубинах. Однако по результатам уточненных исследований 2018 года выяснилось, что для твердого внутреннего ядра они завышены на 2,5 процента. Так, скорость S-волн в центре ядра оказалась равна 3,58, а не 3,67 километра в секунду, как предполагает PREM. Это означает, что внутреннее ядро нельзя считать полностью твердым.
Объяснения требует и еще одна особенность внутреннего ядра, получившая название сейсмической анизотропии. Известно, что P-волны в нем распространяются примерно на три процента быстрее в полярном направлении, чем в экваториальном. Некоторые ученые полагают, что это явление связано с присутствием разных модификаций железа или его твердых сплавов, в которых кристаллические решетки ориентированы взаимно перпендикулярно. Другие указывают, что в экспериментах устойчивость проявила лишь hcp-модификация.
Группа исследователей из КНР во главе с Юй Хэ (Yu He) из Института геохимии Китайской академии наук сосредоточила свое внимание на взаимодействии железа с легкими компонентами внутреннего ядра — водородом, углеродом, кислородом, кремнием и серой. С помощью численного моделирования они рассчитали термодинамические характеристики двух вариантов кристаллических hcp-решеток, содержавших 64 атома железа. В первом случае атом легкого элемента замещал в решетке атом железа, во втором — вводился между узлами решетки. Расчеты велись для давлений от 340 до 360 гигапаскалей и температур от 2000 до 7000 кельвин.
Оказалось, что сера и кремний предпочитают замещать железо, образуя стабильные твердые сульфиды и силициды. Водород, углерод и кислород при давлениях ниже 350 гигапаскалей (то есть дальше от центра ядра) охотнее проникают в междоузлия решетки hcp-железа. Такие сплавы могут оставаться полностью твердыми лишь до температуры 2500–2800 кельвин, а это существенно ниже, чем во внутреннем ядре. Затем подвижность ионов легких элементов растет, и приблизительно при 3000 кельвин они начинают мигрировать внутри кристаллической решетки. Такое состояние вещества, промежуточное между твердым кристаллом и жидкостью, носит название суперионного. Оно разрушается с полным плавлением решетки в диапазоне температур 5413–5770 кельвин при давлении около 330 гигапаскалей, то есть в условиях, соответствующих границе внутреннего ядра. Эта температура на 500–800 градусов ниже, чем нужно для плавления чистого hcp-железа.
Юй Хэ и его коллеги провели расчеты упругих свойств суперионных сплавов и определили скорости сейсмических волн в них. Если в твердых сплавах с ростом температуры до 3000 кельвин значения скоростей волн обоих типов уменьшаются почти линейно, то с переходом в суперионное состояние они демонстрируют ускоренный спад, особенно для S-волн. Моделирование с учетом присутствия никеля показало, что небольшое количество легких примесей, особенно водорода, дает величину скорости, близкую к той, что была измерена в 2018 году.
По-видимому, вещество в суперионном состоянии встречается и на других планетах Солнечной системы. Так, суперионный лед, вероятно, присутствует в недрах Урана и Нептуна среди прочих высокотемпературных модификаций льда и вносит вклад в формирование их магнитных полей. На Земле, как полагают Юй Хэ с коллегами, суперионные сплавы железа во внутреннем ядре Земли тоже участвуют в поддержании механизма геодинамо.
Миграция ионов легких элементов должна вносить вклад в теплопередачу от внутреннего ядра и тем самым способствовать конвекции — необходимому условию возникновения динамо-эффекта в жидком внешнем ядре. Магнитное поле, в свою очередь, воздействует на суперионные проводящие сплавы, заставляя легкие ионы перемещаться. Не исключено, что таким образом примеси в составе внутреннего ядра перераспределяются в достаточной степени, чтобы вызвать сейсмическую анизотропию. По мнению авторов статьи, вероятная связь между геодинамо и сейсмическими особенностями внутреннего ядра, которую должны прояснить дальнейшие исследования, может стать ключом к пониманию его структуры и эволюции.
Ранее N + 1 уже рассказывал о суперионном состоянии вещества. Так, с помощью моделирования физики показали, что смесь гелия с водой при высоких давлениях порождает целых две суперионные фазы, и обнаружили, что в центре Земли гелий может образовывать стабильное соединение с оксидом железа. А еще мы сообщали о том, что на Венере тоже может существовать суперионный лед.
Суперконтинент долго сохранял целостность благодаря аккреции мантийного материала на литосферном киле
Геохимики проанализировали состав алмазов из Бразилии и Западной Африки, сформировавшихся на глубинах 300–700 километров, и выяснили их возраст: от 650 до 450 миллионов лет. Это показывает, что алмазы образовались в результате субдукции под границами Гондваны, а позднее были подняты к нижней границе литосферы восходящими мантийными потоками, которые увеличивали толщину древних кратонов в составе суперконтинента. По-видимому, этот подъем продолжался около 200 миллионов лет и способствовал длительному сохранению целостности Гондваны. Отчет об исследовании опубликован в Nature. Согласно современным представлениям, постоянное перемещение литосферных плит происходит в рамках суперконтинентальных циклов. Эти длительные (сотни миллионов лет) промежутки времени включают стадии сборки материковых блоков литосферы в единый массив, затем его распада и, наконец, перегруппировки континентов вплоть до следующего объединения. При этом мантия, по мнению исследователей, эпизодически перемешивается до больших глубин из-за субдукции на окраинах суперконтинента. В свою очередь, подъем больших масс мантийного материала, включающего остатки древней коры, должен влиять на эволюцию континентальной литосферы. Однако данные о тектонических процессах прошлого недостаточно определены, так как базируются в основном на анализе состава пород в верхней части земной коры и на палеомагнитных измерениях. Самые глубокие по происхождению образцы мантийного материала, доступные для прямого исследования, ― так называемые сублитосферные алмазы. Судя по изотопным соотношениям углерода в них и по составу минеральных включений, эти алмазы кристаллизовались на глубинах от 300 до 700 километров, предположительно из расплавов, которые содержали остатки древних погруженных плит. Но для привязки алмазов как источника данных к определенным тектоническим обстановкам прошлого необходимо их надежное датирование. За решение этой задачи взялись Сюзетт Тиммерман (Suzette Timmerman) из Альбертского университета в Эдмонтоне совместно с коллегами из десяти стран. Они проанализировали микроэлементный состав минеральных включений в 13 алмазах из месторождений в Бразилии и Гвинее. Эти алмазоносные районы располагаются в пределах Амазонского кратона и Западно-Африканской древней платформы соответственно. Для датирования силикатных включений использовали рубидий-стронциевый, самарий-неодимовый и уран-свинцовый методы. Возраст сульфидного включения в одном из бразильских алмазов определили рений-осмиевым методом. Кроме того, алмазы были исследованы на содержание азота. Во всех изученных образцах азот либо отсутствовал, либо находился в чрезвычайно малой концентрации, что говорит о формировании при высоком давлении, то есть в сублитосферных условиях на большой глубине. В зонах роста западноафриканских алмазов исследователи обнаружили положительный сдвиг изотопного соотношения углерода 13C/12C, типичный для субдуцированных морских карбонатов. Он указал на источник мантийного расплава, в котором протекала кристаллизация. Радиоизотопные датировки бразильских алмазов, полученные разными методами, перекрываются в большом интервале приблизительно от 610 до 450 миллионов лет назад. Определить возраст включений в алмазах из Гвинеи оказалось сложнее из-за примеси компонентов более древней коры. Но датирование по соотношениям 206Pb/204Pb—238U/204Pb дало близкий результат: 648 ± 150 миллионов лет. Алмазы этих областей образовались глубоко в мантии примерно в одно время, в палеозое. Суперконтинент Гондвана существовал тогда в Южном полушарии обособленно от других материковых блоков, но сохранял целостность. Около 450–400 миллионов лет назад совместная миграция составлявших Гондвану плит сдвинула южноамериканский и западноафриканские кратоны, близкие к окраинам суперконтинента, к северу почти на 60 градусов (более чем на 6500 километров). Казалось бы, они должны были удалиться от сублитосферных источников алмазов, однако впоследствии месторождения в них все-таки образовались. Тиммерман с коллегами полагают, что алмазы попали в основания кратонов, в так называемый литосферный киль, до этого перемещения из-за апвеллинга (подъема) мантийного вещества. Свидетельств существования мощных плюмов под этими областями Гондваны нет, и исследователи заключили, что подъем происходил в локальных областях неустойчивости Рэлея—Тейлора, где истощенный мантийный материал отделялся от погруженных остатков плиты. Подъем длился около 200 миллионов лет и вызвал аккрецию вещества мантии на литосферном киле. Это способствовало утолщению и стабилизации кратонов, а также упрочило их сборку в составе Гондваны: она не распадалась полностью в промежутке между фазами существования глобальных суперконтинентов. Взрывные извержения, вынесшие алмазоносные кимберлиты к поверхности, произошли гораздо позднее, в меловом периоде, менее 100 миллионов лет назад, когда Гондвана уже распалась. По мнению авторов, изучение эволюции литосферы в древних подвижных поясах суперконтинентов может привести к обнаружению ранее неизвестных алмазоносных областей. Ранее N + 1 уже рассказывал, как ученые пришли к выводу о большой роли субдукции в формировании алмазов. Также мы сообщали о том, что распад суперконтинента Нуна породил алмазную трубку, а древнейшие континентальные блоки ― кратоны ― образовались благодаря гравитационному перемешиванию.