Pozostałości starożytnego oceanu i zderzenia planet – naukowcy rzucają nowe światło na tajemniczą warstwę D Ziemi

Badania sugerują, że warstwa D Ziemi, w pobliżu granicy jądra i płaszcza, powstała z oceanu magmy powstałego w wyniku potężnego uderzenia. Nadtlenek żelaza i magnezu powstający z wody w tym oceanie wyjaśnia unikalny skład i niejednorodność warstwy D.

Nowe badania sugerują, że tajemnicza warstwa D na granicy jądra i płaszcza Ziemi mogła powstać w wyniku pozostałości wczesnego masywnego uderzenia, a nadtlenek bogaty w żelazo odgrywa kluczową rolę w jej wyjątkowych i trwałych cechach.

Głęboko wewnątrz Ziemi znajduje się tajemnicza warstwa zwana warstwą D. Obszar ten znajduje się na głębokości około 3000 kilometrów i leży powyżej granicy pomiędzy stopionym zewnętrznym jądrem planety a jej stałym płaszczem. W przeciwieństwie do idealnej kuli, warstwa „D” jest zaskakująco niekompletna. Jego grubość różni się znacznie w zależności od miejsca, a na niektórych obszarach w ogóle nie ma warstwy „D” – tak jak kontynenty wznoszą się nad ziemskimi oceanami. Te interesujące różnice przykuły uwagę geofizyków, którzy opisali warstwę D jako obszar niejednorodny lub niejednorodny.

Nowe badanie prowadzone przez dr Qingyang Hu (Centrum Badań nad Wysokimi Ciśnieniami i Zaawansowanymi Technologiami) i dr Jie Ding (Uniwersytet Princeton) wskazuje, że warstwa D mogła pochodzić z początków Ziemi. Ich teoria opiera się na hipotezie gigantycznego uderzenia, która sugeruje, że: MarsDuży obiekt zderzył się z proto-Ziemią, tworząc w następstwie ocean magmy obejmujący całą planetę. Uważają, że warstwa D może stanowić unikalną kompozycję pozostałości po tym masywnym uderzeniu, potencjalnie zawierającą dowody na powstanie Ziemi.

Woda w oceanie magmy

Dr Jie Ding podkreśla obecność dużej ilości wody w tym globalnym oceanie magmy. Dokładne pochodzenie tej wody pozostaje przedmiotem debaty, ponieważ zaproponowano różne teorie, w tym jej powstawanie w wyniku interakcji między gazem mgławicowym a magmą lub bezpośrednie dostarczanie przez komety. Dr Deng kontynuuje: „Przeważa pogląd, że w miarę ochładzania woda skoncentrowała się na dnie oceanu magmy. W końcowych stadiach magma znajdująca się najbliżej jądra mogła zawierać wodę w ilościach podobnych do tych, które znajdują się we współczesnych oceanach Ziemi.

Ekstremalne ciśnienie i temperatura w dolnej części oceanu magmy stworzyły wyjątkowe środowisko chemiczne, sprzyjające nieoczekiwanym interakcjom między wodą i minerałami. „Nasze badania sugerują, że ten wodny ocean magmy przyczynił się do powstania bogatej w żelazo fazy zwanej nadtlenkiem żelaza i magnezu” – wyjaśnia dr Qingyang Hu. Nadtlenek ten o wzorze (Fe, Mg)O2 bardziej preferuje żelazo niż inne główne składniki spodziewane w dolnym płaszczu. „Według naszych obliczeń jego wiązanie z żelazem mogło doprowadzić do akumulacji nadtlenku żelaza w warstwach o grubości od kilku do kilkudziesięciu kilometrów.

Tworzenie się heterogenicznej struktury na granicach płaszcza jądra Ziemi. Źródło: China Science Press

Obecność fazy nadtlenkowej bogatej w żelazo zmieniłaby skład mineralny warstwy D, odbiegając od naszego obecnego stanu wiedzy. Według nowego modelu minerały w D byłyby zdominowane przez nową grupę: krzemiany ubogie w żelazo, nadtlenki bogate w żelazo (Fe, Mg) i tlenki ubogie w żelazo (Fe, Mg). Ten nadtlenek zdominowany przez żelazo ma również niskie prędkości sejsmiczne i wysoką przewodność elektryczną, co czyni go prawdopodobnym kandydatem do wyjaśnienia unikalnych cech geofizycznych warstwy D. Cechy te obejmują obszary o bardzo małej prędkości i warstwy o wysokiej przewodności, które przyczyniają się do znanych niejednorodność kompozycyjna warstwy D.

„Nasze odkrycia wskazują, że nadtlenek bogaty w żelazo, powstający ze starożytnej wody w oceanie magmy, odegrał kluczową rolę w tworzeniu heterogenicznych struktur warstwy D” – powiedział Qingyang. Silne powinowactwo tego nadtlenku do żelaza tworzy wyraźny kontrast gęstości pomiędzy tymi obszarami bogatymi w żelazo a otaczającym je płaszczem. Zasadniczo działa jak izolator, zapobiegając ich mieszaniu i potencjalnie wyjaśniając długoterminową niejednorodność obserwowaną u podstawy dolnego płaszcza. „Model ten dobrze zgadza się z najnowszymi wynikami modelowania numerycznego, co sugeruje, że niejednorodność dolnego płaszcza może być cechą długoterminową” – dodał Ji.

Odniesienie: „Granica jądra i płaszcza Ziemi utworzona przez krystalizację oceanu wodnego z magmy ziemskiej”, Qingyang Hu, Ji Ding, Yucai Zhuang, Zhenzhong Yang i Rong Huang, 13 maja 2024 r., Narodowy Przegląd Naukowy.
doi: 10.1093/nsr/nwae169