Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications 20 февраля, открывает дверь для других конкурирующих теорий о том, почему Земля по сравнению с другими планетами имеет более высокие уровни тяжелых изотопов железа. Среди них: изотопы легкого железа могли быть испарены в космос в результате сильного столкновения с другой планетой, сформировавшей Луну; медленное взбалтывание мантии по мере того, как она создает и перерабатывает земную кору, может предпочтительно включать тяжелое железо в породу; или состав сырья, из которого сформировалась планета в первые дни ее существования, мог быть обогащен тяжелым железом.
Изотоп — это разновидность атома, который имеет вес, отличный от веса других атомов того же элемента, потому что у него другое количество нейтронов.«Формирование ядра Земли, вероятно, было самым большим событием, повлиявшим на историю Земли. Материалы, из которых состоит вся Земля, были расплавлены и дифференцированы», — сказал Чжун-Фу Линь, профессор Школы наук о Земле Джексона и один из авторов исследования. «Но в этом исследовании мы говорим, что должны быть другие источники аномалии изотопа железа на Земле».Цзинь Лю, в настоящее время научный сотрудник Стэнфордского университета, руководил исследованием, когда он получил докторскую степень. в школе Джексона.
В число сотрудников входят ученые из Чикагского университета, университетов Сорбонны во Франции, Аргоннской национальной лаборатории, Центра исследований высокого давления и перспективных технологий в Китае и Иллинойского университета в Урбана-Шампейн.Образцы горных пород с других планетных тел и объектов — от Луны до Марса и древних метеоритов, называемых хондритами — все имеют примерно одинаковое соотношение тяжелых и легких изотопов железа. По сравнению с этими образцами из космоса, горные породы с Земли содержат примерно на 0,01% больше тяжелых изотопов железа, чем легких изотопов.
Это может показаться не таким уж большим, но Лин сказал, что это достаточно важно, чтобы сделать состав железа Земли уникальным среди известных миров.«Эта аномалия в 0,01 процента очень значительна по сравнению, скажем, с хондритами», — сказал Линь. «Это существенное различие, таким образом, представляет другой источник или происхождение нашей планеты».
Линь сказал, что одна из самых популярных теорий, объясняющих железную сигнатуру Земли, заключается в том, что относительно большой размер планеты (по сравнению с другими скалистыми телами в Солнечной системе) создавал условия высокого давления и высокой температуры во время формирования ядра, которые делали разные пропорции тяжелые и легкие изотопы железа накапливаются в ядре и мантии. Это привело к тому, что большая доля тяжелых изотопов железа связана с элементами, составляющими скалистую мантию, в то время как более легкие изотопы железа связаны вместе и с другими металлами в следовых количествах, образуя ядро Земли.
Но когда исследовательская группа использовала алмазную наковальню, чтобы подвергнуть небольшие образцы металлических сплавов и силикатных пород давлению образования ядра, они не только обнаружили, что изотопы железа остались на месте, но и что связи между железом и другими элементами стали прочнее. Вместо разрыва и повторного связывания с обычными элементами мантии или ядра, первоначальная конфигурация связи стала более прочной.«Наши исследования высокого давления показывают, что изотопное фракционирование железа между силикатной мантией и металлическим ядром минимально», — сказал Лю, ведущий автор.
Соавтор Николас Дауфас, профессор Чикагского университета, подчеркнул, что анализ измерений в атомном масштабе был подвигом сам по себе.«Чтобы понять смысл измерений, нужно использовать сложные математические методы», — сказал он. «Чтобы осуществить это, нужна была команда мечты».
Хелен Уильямс, преподаватель геологии в Кембриджском университете, сказала, что трудно узнать физические условия формирования ядра Земли, но высокие давления в эксперименте делают моделирование более реалистичным.«Это действительно элегантное исследование, использующее совершенно новый подход, который подтверждает более старые экспериментальные результаты и расширяет их до гораздо более высоких давлений, соответствующих вероятным условиям равновесия ядро-мантия на Земле», — сказал Уильямс.
Линь сказал, что потребуются дополнительные исследования, чтобы раскрыть причину уникальной железной сигнатуры Земли, и что эксперименты, которые приблизительны к ранним условиям на Земле, будут играть ключевую роль, потому что камни из ядра недостижимы.
