Геофизики нашли на границе ядра и мантии Земли гигантские резервуары кислорода

Команда исследователей во главе с Хо-Кваном Мао (Ho-Kwang Mao) из Института Карнеги в США, похоже, раскрыла тайну, давно волновавшую геологов. Авторы объяснили, из какого минерала состоят зоны замедления сейсмических волн на границе ядра и мантии и воспроизвели в лаборатории процесс его образования. Если выводы учёных верны, то такие зоны оказываются гигантскими хранилищами кислорода, которые могут оказывать влияние на историю жизни на Земле. Научная статья с результатами исследования опубликована в журнале Nature 22 ноября 2017 года.

Как узнать, что у нас под ногами? Этот простой вопрос является головной болью для геологов. Скважины, ведущие к центру Земли, существуют только на страницах фантастических книг, а в реальности рекордная глубина бурения едва превышает 12 километров.

На помощь учёным приходят сейсмические волны. По-разному распространяясь в породах разной плотности, они позволяют проводить «УЗИ» недр нашей планеты. Впрочем, информация, которую удаётся добыть путём такого сканирования, неполна. Часто добытые ответы порождают лишь новые вопросы. Собственно, как и в любых других областях науки.

На глубине 2900 километров под поверхностью Земли лежит граница ядра и мантии. Геологи давно обнаружили здесь области, в которых сейсмические волны движутся необычно медленно. Их так и назвали зонами ультранизких скоростей, по-английски ultralow velocity zones, отсюда аббревиатура UVZ. Но что они собой представляют? Какой таинственный материал так замедляет колебания земных недр?

Этот вопрос обсуждается учёными давно, и уже предложено множество гипотез. Все они, однако, страдают одним недостатком: требуется объяснить, как нужное вещество вообще оказалось на такой глубине.

Команда Хо-Квана, похоже, убила двух зайцев одним выстрелом. Исследователи нашли и подходящий минерал, и простой механизм его образования прямо на месте. Правда, этот успех привёл к вопросу, не нужно ли что-нибудь пересмотреть в истории биосферы Земли.

Минерал, который полюбился авторам, – пероксид железа FeO₂H_x (количество атомов водорода может быть различным). Ссылаясь на работы предшественников, они говорят, что он является стабильным в условиях нижней мантии.

Но откуда он там возьмётся? Чтобы ответить на этот вопрос, учёные воссоздали в лаборатории маленький кусочек адских глубин. Алмазные тиски сжимали вещество, создавая давление в 860 тысяч атмосфер. Лазерный луч, проникая сквозь прозрачные алмазные пластины, нагревал реагенты до 1900 градусов Цельсия.

В этих условиях, как обнаружили авторы, пероксид железа образуется из самых простых компонентов: железа и воды. Железа в ядре Земли сколько угодно – собственно, из этого металла оно в основном и состоит. А вода? Как утверждают авторы, ежегодно 300 миллионов тонн воды опускается в глубины мантии из-за движения тектонических плит. По их расчётам, десятой доли воды Мирового океана хватило бы, чтобы создать все наблюдаемые UVZ. Для сравнения: по некоторым оценкам, в недрах Земли, включая кору, мантию и ядро, воды в 90 раз больше, чем на поверхности.

Получается, что нужный минерал образуется на границе мантии и ядра из веществ, которых там хватает. Но действительно ли он отвечает за картину, которая наблюдается на сейсмограммах?

Исследователи проверили и это. Используя эксперименты и теоретические расчёты, они обнаружили, что нужные характеристики (скорость звука, плотность и так далее) имеет смесь, в которой 40–50% составляет пероксид железа, а остальное приходится на обычные породы нижней мантии. Свойства такой смеси прекрасно согласуются с наблюдательными данными об UVZ. Похоже, секрет загадочных «зон замедления» всё-таки раскрыт.

Но это открытие поднимает другие волнующие вопросы. Как объясняется в пресс-релизе исследования, залежи пероксида железа являются гигантским резервуаром кислорода. Время от времени кислород может высвобождаться и достигать поверхности. Последствия таких событий и их возможную связь с изменениями климата, массовыми вымираниями и другими грандиозными событиями ещё только предстоит изучить.