Ядро Земли формировалось не так, как у астероидов

Новые эксперименты говорят о том, что расплавленное железо могло проложить постоянные русла внутри мантии.
У нашей планеты сложный интерьер, у него много слоёв. Образование и структура этих слоёв — тайна за семью печатями, но время от времени подсказки появляются — благодаря новым исследованиям, конечно, а не молитвам.

Железо оседало на дне океана магмы,
а затем просачивалось через твёрдую мантию к ядру

Если мы совершим путешествие к центру Земли, то увидим, что большинство материала на глубине до 3 тыс. км сложено всего тремя элементами: на кислород, кремний и магний (плюс немного железа) приходится более 90% «керамической» мантии Земли. Наша мантия служит прекрасной электро- и теплоизоляцией.

Идём глубже — и всё меняется. Мы пересекаем границу каменистой мантии с металлическим ядром, которое на верхних участках представляет собой жидкость, а в самом центре планеты становится твёрдым. Химический состав тоже иной: почти всё ядро состоит из железа.

По физическим характеристикам внешнее ядро Земли так же отличается от мантии, как море — от дна. Представьте себе перевёрнутый мир, в котором шторма и течения находятся не над, а под слоем породы. Именно эти потоки раскалённого металла в ядре Земли порождают её магнитное поле, которое защищает нас от солнечных бурь и делает возможной жизнь на поверхности планеты.

Как же так получилось, что настолько различные слои материала оказались рядом друг с другом? Группа учёных во главе с Венди Мао из Стэнфордского университета (США) смогла показать, как железо вытесняется из силикатов на глубине около 1000 км.

Лабораторные эксперименты со смесями силикатных минералов и железа говорят о том, что железо находится в породе в виде крошечных изолированных образований, будучи запертым в ловушку на стыках между крупинками минералов. Это наблюдение привело учёных к выводу о том, что сегрегация железа происходит только на ранней стадии формирования планет, когда верхняя часть силикатной мантии полностью расплавлена. Считается, что капли железа просачивались через верхнюю мантию и собирались в её основании, а затем под действием силы тяжести, как в лавовой лампе, тонули дальше, и так в конечном счёте образовалось ядро.

Схематическое изображение внутренних оболочек Земли: земной коры, верхней мантии, нижней мантии, внешнего ядра и внутреннего ядра.

Работа г-жи Мао требует пересмотра этой модели. С помощью интенсивного рентгеновского излучения исследователи изучили образцы, находившиеся в условиях экстремального давления и температуры между кончиками кристаллов алмаза. Выяснилось, что при увеличении давления в недрах мантии жидкое железо начинает смачивать поверхность крупиц силикатных минералов. Это означает, что потоки расплавленного железа собираются в ручьи в твёрдой мантии — этот процесс называется перколяцией. Что ещё более важно, данный процесс может протекать, даже когда мантия недостаточно горяча для формирования океана магмы.

«Чтобы перколяция была эффективной, расплавленному железу надо проложить непрерывные каналы через твердь, — поясняет г-жа Мао. — Это считалось невозможным, но теперь мы говорим, что при определённых условиях, которые, как мы знаем, существовали на планете, это может произойти».

Внутреннее строение Земли

Комментируя результаты, Джеффри Бромили из Эдинбургского университета (Великобритания) отмечает:

«Новые данные говорят о том, что формирование ядра не было простым, одноступенчатым событием. И этот сложный процесс, должно быть, оказал не менее сложное влияние на последующую химию Земли».

Работа г-жи Мао поднимает важные вопросы о том, как начинается формирование ядра планет. Общепринятая теория гласит, что изучение ядер метеоритов и астероидов расскажет нам о нашей собственной планете, но г-н Бромили считает, что раннее формирование ядра возможно только на больших планетах. Поэтому химический состав Земли сильно изменился в этом процессе и теперь значительно отличается от состава планет поменьше и астероидов.

Г-н Бромили и его коллеги теперь изучают, какие ещё факторы могли повлиять на формирование строения Земли — например, столкновения с астероидами и другими телами в хаосе ранней Солнечной системы. Их выводы тоже добавляют вопросов.

«Мы всё чаще наблюдаем металлические ядра у тел, которые значительно меньше Земли, — говорит учёный. — Какой процесс повлиял на формирование ядер у тел, которые никогда не были настолько большими, чтобы там имела место перколяция расплавов на большой глубине?»

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Geoscience.