Дълбоко под повърхността на Земята - по-точно на дълбочина 2900 км - се намира маса от предимно разтопено желязо, която формира външното ядро на планетата. Възможно ли е то също да ръждяса?
Ако там, където външното ядро се среща с мантията, действително има ръжда, учените може би ще трябва да актуализират представата си за вътрешността на Земята и нейната история.
Желязото на повърхността на Земята - независимо дали е в обикновени гвоздеи или мощни греди - реагира постепенно при излагане на влажен въздух или обогатена с кислород вода чрез химична реакция, известна като окисление. Червеникавокафявият продукт на тази реакция, ръждата, може да се състои от различни форми на хидрозни (водосъдържащи) железни оксиди и железни оксидно-хидроксидни материали. В природата червените скали, които се намират в сух климат, дължат цвета си на минерала железен оксид хематит, докато в по-влажна среда минералите на желязната руда, подобни на хематита, изветряват и образуват минерала железен оксид-хидроксид гьотит (FeOOH).
Учените наскоро показаха в експерименти, че когато желязото срещне влага - като вода или под формата на хидроксилосъдържащи минерали - при налягания, близки до 1 милион атмосфери, подобни на наляганията в дълбоката долна мантия, то образува железен пероксид или форма на железен оксид-хидроксид под високо налягане със същата структура като пирита (т.е. FeOOH от пиритен тип) [Hu et al., 2016, Mao et al., 2017]. С други думи, реакциите на окисление в тези експерименти наистина образуват ръжда под високо налягане.
Ако наистина има ръжда там, където външното ядро се среща с мантията (границата ядро-мантия, или CMB), може да се наложи учените да актуализират представата си за вътрешността на Земята и нейната история. Тази ръжда би могла да хвърли светлина върху дълбоководния цикъл в долната мантия и загадъчния произход на зоните с ултраниска скорост (ULVZ - ultralow-velocity zones) - малки, тънки области на върха на флуидното ядро на Земята, които забавят значително сеизмичните вълни (фигура 1). Това може да помогне да се отговори и на въпросите за Голямото окислително събитие (GOE - Great Oxidation Event), което бележи началото на богатата на кислород атмосфера на Земята преди около 2,5-2,3 милиарда години, и Неопротерозойското окислително събитие (NOE - Neoproterozoic Oxygenation Event) преди 1 милиард до 540 милиона години, което довежда свободния кислород в атмосферата до сегашните му нива.
Фигура 1. Оцветяването на червените скали на повърхността на Земята - както се вижда тук в близост до Уест Митън Бът в Аризона - се дължи главно на окислените железни минерали хематит и гьотит (в горната част). Възможните находища на ръжда в ядрото на границата между ядрото и мантията (CMB), на 2900 км под повърхността на Земята, биха могли да се състоят от минерали на железен оксид и хидроксид със структура, подобна на пирит. Този ръждив материал би могъл да обясни откриването на зони с ултраниска скорост (ULVZ) в сеизмичните данни. Прагът на откриване на ULVZ показва разделителната способност на настоящата сеизмична томография. Кредит: горе: Ken Cheung/Pexels; долу: Mary Heinrichs/AGU
Но как да разберем дали в границата ядро-мантия е имало ръждясване?
Сеизмични подписи на границата между ядрото и мантията
Въпреки че не можем да добиваме минерали в границата между ядрото и мантията (СМВ), можем да ги изследваме по други начини. Ако ядрото ръждясва с течение на времето, в CMB може да се е натрупал слой ръжда, който да показва определени сеизмични улики.
Лабораторни изследвания показват, че ръждата на ядрото от железен оксид и хидроксид (т.е. FeOOHx, където x е 0-1) може да предизвика значително намаляване на скоростите на сеизмичните вълни, които преминават през нея, подобно на това, което правят скалите (или частичните стопилки, ако има такива) в зоните с ултраниска скорост [Liu et al., 2017]. Всъщност ръждата на ядрото би могла да забави скоростите на сеизмичните вълни с до 44% за вторичните (напречни) вълни Vs и 23% за първичните (надлъжни) вълни Vp, в сравнение със средните сеизмични скорости като функция на дълбочината, представени в предварителния референтен модел на Земята. Тези големи намаления на скоростта биха направили ръждата на ядрото разпознаваема в сеизмичната томография, ако тя се натрупва в слоеве с дебелина над 3-5 км.
Трудността се състои в това да се разграничи дали сеизмичните аномалии в зоните с ултраниска скорост (ULVZ) са причинени от ръждата на ядрото или имат друг произход. Например частично разтопената зона, за която обикновено се смята, че съществува в основата на долната мантия и е причина за ULVZ [Williams and Garnero, 1996], би могло да доведе до намаляване на сеизмичната скорост, подобно на това, причинено от ръждата на ядрото.
Учените могат да използват сеизмичните томограми, за да разграничат ръждата на ядрото и частично разтопената зона на границата между ядрото и мантията. Сеизмичната томограма обикновено се получава чрез математически процес на инверсия, който съпоставя изчислените и наблюдаваните форми на сеизмичните вълни. Процесът на инверсия изисква да се определят възможните математически решения, които отговарят на данните, и след това да се избере "най-доброто" решение измежду тях въз основа на допълнителни съображения.
Всяко възможно математическо решение съответства на отделен набор от параметри на модела, свързани с физическите свойства на съответните материали - например относителните разлики във Vs, Vp и плътността между материала, който представлява интерес, и средната стойност на заобикалящата го мантия.
Фигура 2. Показани са диапазоните (оранжево и червено) на съотношенията на сеизмичните скорости (δlnVs:δlnVp) за различни материали, предложени като източници на зони с ултраниска скорост: богат на желязо оксид, (Fe0.84Mg0.16)O; пиритен тип FeOOH0. 7 (възможен състав на ръждата на ядрото); въглеродно-желязна стопилка, (Fe-C) стопилка; силикатна перовскитна и мантийна частична стопилка, (Mg,Fe)SiO3+частична стопилка; и постперовскитна твърда силикатна стопилка, PPv (Fe0.4Mg0.6)SiO3.
Тези разлики могат да варират в зависимост от количеството на материала в мантията, но всеки материал обикновено показва характерен диапазон от стойности за диференциалното логаритмично отношение на Vs към Vp (δlnVs:δlnVp) [Chen, 2021], който може да се използва за разграничаване на материалите в сеизмичните томограми (фигура 2). От експерименти по физика на минералите е известно, че това съотношение варира от долна граница 1,2 към 1 до горна граница 4,5 към 1 за всички възможни материали, обясняващи произхода на зоните с ултраниска скорост (ULVZ). В този по-широк диапазон съотношенията за ръждата на ядрото (FeOOHx от пиритен тип) попадат между 1,6 към 1 и 2 към 1 и се отличават от останалите материали.
Доказателства за произхода на ръждата на ядро
 Анимация, показваща LLSVP, както са изведени с помощта на сеизмична томография |
Досега сеизмолозите са взели проби от около 60 % от границата ядро-мантия (CMB) в търсене на ULVZ и са идентифицирали близо 50 места на сеизмични аномалии, които представляват до 20 % от площта на CMB и които биха могли да представляват ULVZ. Повечето от тези области са свързани с големи провинции с ниска скорост на срязване (LLSVP - Large low-shear-velocity provinces) в най-долната мантия и показват δlnVs:δlnVp от около 3 към 1, което предполага частично топене (фигура 2).
Въпреки това някои от тях, разположени в покрайнините на или извън LLSVP под Тихия океан, показват най-добро съотношение от около 2:1 [Chen, 2021]. Например ULVZ на северната граница на LLSVP в Тихия океан (около 9° с.ш., 151° з.д.) [Hutko et al., 2009] и клъстер от ULVZ под Северно Мексико (около 24° с.ш., 104° з.д.) [Havens and Revenaugh, 2001] имат съотношения δlnVs:δlnVp, които предполагат наличието на FeOOHx от пиритен тип.
Обща характеристика на тези ULVZ е, че те се намират в област на CMB, където температурите са относително ниски - няколкостотин келвина по-ниски от средните температури в рамките на LLSVP. Ниските температури предполагат, че тези зони са се получили по механизъм, различен от топене. Забележително е, че регионът под Северно Мексико е идентифициран като включващ остатъци от дълбока субдукция, отложена преди около 200 милиона години на запад от Северна и Централна Америка, което подкрепя идеята, че водата, освободена от субдуциращата плоча, може да е образувала ръжда на външното ядро в СМВ.
 |
В така наречените зони на субдукция ръбът на едната плоча се подпъхва под другата плоча като едновременно я избутва, за да потъне в земната мантия. |
Последиците от ръждясването на ядрото
Фигура 3. Ръждата на ядрото (FeOOH0,7) може да се образува, когато относително студена субдуктивна плоча, носеща хидрозни минерали, се срещне с външното ядро. Задвижвани от мантийната конвекция, отлаганията на ръждата в ядрото от този студен регион биха могли да мигрират по границата ядро-мантия към по-топъл регион в основата на мантийната струя, където биха могли да станат нестабилни и да се разпаднат на хематит (Fe₂O₃), вода (H₂O) и кислород (O₂). Кредит: Mary Heinrichs/AGU
Смята се, че доминиращият минерал в долната мантия на Земята, бридгманитът, има малка способност да приема вода. Въпреки това ръждясването на ядрото може да доведе до появата на резервоар с голям капацитет на вода в СМВ - ръждата FeOOHx може да съдържа около 7% вода по тегло [Tang et al., 2021]. Тъй като ръждата в ядрото е по-тежка в сравнение със средната стойност за мантията, този воден резервоар би имал тенденция да остане в СМВ. По този начин водата теоретично може да бъде транспортирана и съхранявана непосредствено извън ядрото, поне докато мантийната конвекция не я отнесе от по-хладните региони в близост до остатъците от субдуцирани плочи и не я направи термично нестабилна (фигура 3).
Дали и кога тази дълбока вода ще се върне обратно на повърхността, ще зависи до голяма степен от термичната стабилност на ръждата на ядрото. Някои учени, въз основа на експериментална работа, твърдят, че FeOOHx може да оцелее само до 2400 К при налягането в СМВ [Nishi et al., 2017], докато други са наблюдавали наличието на FeOOHx при 3100-3300 К при подобно налягане [Liu et al., 2017]. Но каквато и да е максималната температура, на която FeOOHx може да издържи, вероятно е, че когато ръждата на ядрото мигрира към по-топлите райони на СМВ, следвайки потока на мантийната конвекция, тя би се разпаднала на хематит, вода и кислород. Този процес предлага възможно алтернативно обяснение за историята на кислородното натрупване в земната атмосфера.
Геоложките, изотопните и химичните данни сочат, че земната атмосфера е била предимно или изцяло безкислородна през архейския еон. След архея първото въвеждане на молекулярен кислород в атмосферата започва преди около 2,4 млрд. години в Голямото окислително събитие (GOE). След това преди около 750 млн. години настъпва второто голямо увеличение на кислорода в атмосферата - Неопротерозойското окислително събитие (NOE), което доближава концентрациите му до днешното ниво.
Досега няма убедително обяснение за това покачване и спадане на атмосферния кислород по време на Голямото окислително събитие, основано на цианобактериалната фотосинтеза.
Еволюция на атмосферата. Кредит: The Physical Earth, Mitchell Beazley
Причините за тези кислородни събития остават неясни. Едно от възможните обяснения на GOE е появата на цианобактериите - ранните фотосинтезиращи предшественици на растенията. NOE, настъпило почти 2 милиарда години по-късно, се приписва на бързото нарастване на морската фотосинтеза и на увеличения фотопериод (т.е. по-дългите часове дневна светлина) [Klatt et al., 2021].
Но тези обяснения далеч не са безупречни. Например, освен голямото разминаване във времето между появата на цианобактериите на Земята и GOE, няколко проучвания посочват възможността голямото увеличение на атмосферния кислород в началото на GOE да е било последвано от дълбок спад до по-ниски нива, продължил няколкостотин милиона години. Досега няма убедително обяснение за това покачване и спадане, основано на цианобактериалната фотосинтеза.
Освен това, въпреки че е широко прието, че GOE е повишило концентрациите на кислород в атмосферата незначително в сравнение с повишението по време на NOE, лабораторните експерименти, изследващи влиянието на фотопериода върху нетния трансфер на кислород от микробни матове, които са място на конкурентни фотосинтетични и хемосинтетични общности, показват противоречив резултат [Klatt et al., 2021]. Вместо повече кислород да се отделя от такива рогозки в резултат на по-дългата дневна светлина през NOE, експериментите показват, че увеличаването на продължителността на деня от 21 на 24 часа по време на NOE може да е довело само до около половината от увеличението на кислорода, наблюдавано при увеличаване на продължителността на деня до 21 часа по време на GOE.
Така промените, които се приписват на цианобактериите и на продължителността на фотопериода, не дават пълно или последователно обяснение за повишаването на атмосферния кислород по време на GOE или NOE и не могат да бъдат изключени алтернативни механизми за произхода на тези събития.
Субдукция, миграция, конвекция, изригване
Десетилетията изследвания не са дали убедителни доказателства за това кога е започнала тектониката на плочите на Земята. Въпреки това някои скорошни изследвания показват, че субдукцията е започнала да спуска хидрогенни минерали в дълбоката мантия преди 3,3 млрд. години. А експериментални изследвания показват, че хидрогенните минерали в субдуциращите плочи са способни да пренасят вода чак до СМВ [Ohtani, 2019]. Ако това е така, ръждясването може да се е случило веднага след като първата древна плоча е срещнала ядрото. Ръждата в ядрото може да се е натрупала постепенно в CMB, давайки началото на ULVZ. Тъй като ръждата е мигрирала от по-хладната субдукционна област на върха на разтопеното външно ядро, задвижвана от мантийната конвекция, тя би се нагряла и вероятно е станала нестабилна, когато е достигнала по-топла област, където се е заражда мантийната струя (фигура 3).
Точно както типичните вулканични изригвания се случват с прекъсвания, така и температурното разлагане на ядрената ръжда би могло да доведе до периодични изблици на кислород на повърхността. За разлика от постепенното увеличаване на кислорода от цианобактериалната фотосинтеза, такъв изблик би могъл да освободи кислород по-бързо, отколкото повърхностната среда може да реагира и да го консумира, предизвиквайки бързо първоначално покачване и последващо понижаване на нивата на кислород в атмосферата.
Натрупването на голямо количество ядрена ръжда и нейната миграция към мястото на термично разлагане биха могли да отнемат много повече време в сравнение с продължителността на изригванията на магма на повърхността. Всъщност някои образувани струпвания може да не са достигнали до достатъчно гореща област, за да предизвикат разлагане, и отрицателната им плаваемост сред заобикалящата ги дълбока мантия да ги е задържала в СМВ. Геоложките данни сочат, че земната повърхност е била изцяло покрита от океан до преди около 3,2 млрд. години.
Чистото отстраняване на водата от повърхността и съхраняването ѝ в дълбоката мантия в ръждата на ядрото може да е допринесло за появата на континентите през архея, въпреки че промените в топографията на повърхността, предизвикани от тектониката на плочите, и нарастването на плаващите континенти също са допринесли за тази поява.
Потенциална промяна на парадигмата
Въпреки че всеки може да види, че желязото ръждясва на повърхността на Земята, за съжаление никой не може да докаже пряко, че течното желязно ядро на Земята на 2900 км под повърхността ръждясва по същия начин. Продължаващите изследвания обаче ще помогнат да се отстранят пластовете несигурност и да се отговори на основни въпроси, като например дали ръждясването на ядрото е причина за GOE и NOE.
По-специално, необходими са повече лабораторни експерименти, за да се определят точно границите на термичната и съставната стабилност на ръждата на ядрото в равновесие с разтопено желязо при условията на СМВ. Например трябва да се изследва равновесието между ръждата на ядрото и течното желязо при високо налягане и висока температура. Други изследвания биха могли да проучат термичната стабилност на ядрената ръжда при високи налягания. Тези експерименти са предизвикателство, но са осъществими с настоящите експериментални възможности на лазерно нагряваните диамантени клетки на наковалня.
Освен това е необходима допълнителна работа, за да се реши кога е започнала субдукцията и по-конкретно кога е започнала "мократа субдукция", която отвежда хидрогенни минерали в дълбоките недра. Геохимичните данни сочат, че мократа субдукция е започнала едва преди 2,25 милиарда години, вместо преди 3,3 милиарда. Това късно начало на мократа субдукция може да оспори хипотезата, че ръждясването на ядрото е в основата на GOE.
Освен това все още е необходимо да се изясни дали мантийната конвекция включва слоеста циркулация (т.е. отделни конвекционни клетки в долната и горната мантия), циркулация в цялата мантия или някакъв хибрид от тези сценарии. Ако в мантията преобладава слоеста циркулация, тогава субдуциращите плочи ще бъдат възпрепятствани да навлязат в долната мантия. Следователно трябва да съществува или целомантийна, или хибридна конвекция [Chen, 2016], за да могат плочите - и носените от тях хидрогенни минерали - да достигнат до СМВ и потенциално да предизвикат ръждясване.
Ако всички парчета от пъзела си дойдат на мястото, тогава ръждясването на ядрото може наистина да бъде масивен вътрешен генератор на кислород на Земята - и следващото голямо събитие за насищане на атмосферата с кислород може да е на път.
Възможността за такова събитие би повдигнала всякакви въпроси за последиците, които то би могло да има върху околната среда, климата и обитаемостта в бъдеще. В краткосрочен план потвърждаването на факта, че земното ядро ръждясва, би довело до промяна на парадигмата в разбирането ни за дълбоката вътрешност на планетата и за това как тя оказва фундаментално влияние върху условията и живота на повърхността.
Справка:
Chen, J. (2016), Lower-mantle materials under pressure, Science, 351(6269), 122–123, https://doi.org/10.1126/science.aad7813.
Chen, J. (2021), Tracking the origin of ultralow velocity zones at the base of Earth’s mantle, Natl. Sci. Rev., 8(4), nwaa308, https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa308.
Havens, E., and J. Revenaugh (2001), A broadband seismic study of the lowermost mantle beneath Mexico: Constraints on ultralow velocity zone elasticity and density, J. Geophys. Res., 106(B12), 30,809–30,820, https://doi.org/10.1029/2000JB000072.
Hu, Q., et al. (2016), FeO2 and FeOOH under deep lower-mantle conditions and Earth’s oxygen-hydrogen cycles, Nature, 534(7606), 241–244, https://doi.org/10.1038/nature18018.
Hutko, A. R., T. Lay, and J. Revenaugh (2009), Localized double-array stacking analysis of PcP: D″ and ULVZ structure beneath the Cocos plate, Mexico, central Pacific, and north Pacific, Phys. Earth Planet. Inter., 173(1), 60–74, https://doi.org/10.1016/j.pepi.2008.11.003.
Klatt, J. M., et al. (2021), Possible link between Earth’s rotation rate and oxygenation, Nat. Geosci., 14(8), 564–570, https://doi.org/10.1038/s41561-021-00784-3.
Liu, J., et al. (2017), Hydrogen-bearing iron peroxide and the origin of ultralow-velocity zones, Nature, 551, 494–497, https://doi.org/10.1038/nature24461.
Mao, H.-K., et al. (2017), When water meets iron at Earth’s core–mantle boundary, Natl. Sci. Rev., 4(6), 870–878, https://doi.org/10.1093/nsr/nwx109.
Nishi, M., et al. (2017), The pyrite-type high-pressure form of FeOOH, Nature, 547(7662), 205–208, https://doi.org/10.1038/nature22823.
Ohtani, E. (2019), The role of water in Earth’s mantle, Natl. Sci. Rev., 7(1), 224–232, https://doi.org/10.1093/nsr/nwz071.
Tang, R., et al. (2021), Chemistry and P–V–T equation of state of FeO2Hx at the base of Earth’s lower mantle and their geophysical implications, Sci. Bull., 66(19), 1,954–1,958, https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.05.010.
Williams, Q., and E. J. Garnero (1996), Seismic evidence for partial melt at the base of Earth’s mantle, Science, 273(5281), 1,528–1,530, https://doi.org/10.1126/science.273.5281.1528.
Източник: Is Earth’s Core Rusting?
Chen, J., and S. S. Esdaille (2022), Eos, 103, https://doi.org/10.1029/2022EO220201. Published on 25 April 2022.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари