Хорошо известно, что Земля образовалась в результате аккреции вещества, окружающего молодое Солнце. В конце концов планета выросла до таких размеров, что более плотный железный металл погрузился внутрь, образовав зачатки ядра Земли, оставив богатую силикатом мантию, плавающую над ней.Но новая работа команды под руководством Инвэя Фея и Карнеги из Карнеги и Колина Джексона из Смитсоновского института утверждает, что это разделение мантии и ядра не было таким упорядоченным процессом.
«Наши результаты показывают, что, поскольку ядро было извлечено из мантии, мантия никогда не перемешивалась полностью», — объяснил Джексон. «Это удивительно, потому что формирование ядра произошло сразу после сильных ударов от других ранних объектов Солнечной системы, которые Земля испытала во время своего роста, подобно гигантскому удару, который позже сформировал Луну. энергетические удары полностью перемешали бы мантию, смешав все ее компоненты в однородное состояние ".Дымящееся ружье, которое привело команду к их гипотезе, связано с уникальными и древними изотопными сигнатурами вольфрама и ксенона, обнаруженными в горячих точках вулканов, таких как Гавайи.
Хотя считалось, что эти шлейфы происходят из самых глубоких областей мантии, происхождение этих уникальных изотопных сигнатур было спорным. Команда считает, что ответ кроется в химическом поведении йода, родительского элемента ксенона, при очень высоком давлении.Изотопы — это разновидности элементов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов.
Радиоактивные изотопы элементов, например йод-129, нестабильны. Чтобы добиться стабильности, йод-129 распадается на ксенон-129. Следовательно, изотопные сигнатуры ксенона в образцах мантии плюма напрямую связаны с поведением йода в период разделения ядра и мантии.
Используя ячейки алмазной наковальни для воссоздания экстремальных условий, при которых ядро Земли отделялось от мантии, Джексон, Фей и их коллеги — Нил Беннетт из Карнеги и Чжиксу Ду и Элизабет Коттрелл из Смитсоновского института — определили, как йод распределяется между металлическим ядром и силикатной мантией. . Они также продемонстрировали, что если зарождающееся ядро отделилось от самых глубоких областей мантии, пока оно все еще росло, то эти карманы мантии обладали бы химией, необходимой для объяснения уникальных изотопных сигнатур вольфрама и ксенона, при условии, что эти карманы не смешиваются с остальная часть мантии вплоть до наших дней.По словам Беннета: «Ключевое поведение, которое мы определили, заключалось в том, что йод начинает растворяться в активной зоне при очень высоких давлениях и температурах. В этих экстремальных условиях йод и гафний, которые радиоактивно распадаются на ксенон и вольфрам, проявляют противоположные предпочтения в отношении формирования ядра. металл.
Такое поведение привело бы к таким же уникальным изотопным сигнатурам, которые теперь ассоциируются с горячими точками ".Расчеты команды также предсказывают, что изотопные сигнатуры вольфрама и ксенона должны быть связаны с плотными карманами мантии.«Подобно шоколадной стружке в тесте для печенья, эти плотные карманы мантии было бы очень трудно вернуть обратно, и это может быть решающим аспектом для сохранения их древних изотопных сигнатур вольфрама и ксенона в наши дни», — объяснил Джексон.
«Еще более захватывающим является то, что появляется все больше геофизических доказательств того, что на самом деле существуют плотные области мантии, лежащие прямо над ядром — так называемые зоны сверхнизких скоростей и большие провинции с низкой скоростью сдвига. Эта работа связывает воедино эти наблюдения», — добавил Фей. «Разработанная здесь методология также открывает новые возможности для непосредственного изучения глубинных процессов Земли».
Эта работа была поддержана Национальным научным фондом, Научным институтом Карнеги и Смитсоновским институтом.