Ядро Земли отдаёт мантии водород, гелий и вольфрам со времён рождения планеты

Геофизики из Университета науки и технологий Китая в Хэфэе попытались ответить на давний вопрос. Различия в химическом составе глубокой мантии — это след кристаллизации планеты из магматического шара или результат обмена веществом между ядром и мантией на протяжении всей истории Земли?

Работу опубликовал журнал Science Advances. Учёные применили «интегралы по траекториям» — расчётные симуляции квантового поведения атомов и молекул, ускоренные методами машинного обучения. Это позволило проследить перемещение водорода внутри Земли: он очень лёгкий, поэтому его квантовые свойства выражены особенно ярко.

Что показала модель кристаллизации

Исследователи проверили соотношение дейтерия и обычного водорода (D/H), пишет ScienceAlert. Дейтерий — более тяжёлый изотоп водорода. Идея в том, чтобы понять, поднимается ли лёгкий водород вверх вместе с горячими потоками, которые выходят к поверхности.

Модель кристаллизации показала, что разделение изотопов между минералами и расплавом довольно слабое. Поэтому в древней мантии D/H должно было распределиться равномерно. «Все эти результаты указывают, что кристаллизация магматического океана даёт первичную мантию с по сути однородным изотопным составом водорода, несмотря на большие перепады давления, температуры и допущения модели», — заключили авторы.

Самым важным фактором оказался исходный изотопный состав водорода в магматическом океане. Остальные параметры, включая начальное содержание воды (до двух масс океанов), почти не влияли на результат. Причина в хаосе: условия были слишком энергичными, чтобы дейтерий и водород аккуратно распределились по слоям планеты.

Какие следы оставляет ядро

Доказательства утечки из ядра дают базальты океанических островов. Они образуются из потоков, поднимающихся от границы ядра и мантии. Такие лавы изливаются, например, на острове Баффинова Земля в канадском Нунавуте и в Исландии.

Эти породы, по-видимому, несут лёгкий водород из солнечной туманности, из которой возникла Солнечная система. Поднимаясь из ядра, водород обогащает мантию и снижает в ней отношение D/H.

Ещё одна подсказка — гелий. Гелий-3 — лёгкий первичный изотоп из солнечной туманности, во многом оставшийся после Большого взрыва, а тяжёлый гелий-4 образуется при радиоактивном распаде в верхних слоях Земли. Повышенное отношение гелия-3 к гелию-4 в базальтах океанических островов говорит о том, что и он поступает из ядра.

Третий элемент — вольфрам. Этот тяжёлый металл был сначала заперт в ядре, когда при кристаллизации Земля разделилась на слои. Теперь же изотоп вольфрама, давно «изгнанный» из мантии, поднимается вместе с восходящими потоками и выдаёт вещество ядра на пути наверх.

Что это значит

По словам авторов, даже если в глубокой мантии когда-то существовали первичные резервуары, сегодняшние изотопные метки водорода в нижней мантии вряд ли просто остались от ранней дифференциации. Они, как сказано в исследовании, «отражают динамическое изменение за счёт продолжающегося обмена между ядром и мантией на протяжении эволюции Земли».

Между прочим. Ядро Земли делится на твёрдое внутреннее радиусом около 1300 км и жидкое внешнее толщиной около 2200 км, а между ними иногда выделяют переходную зону. Образцы вещества ядра пока недоступны.