Мантия Земли расслоилась без помощи небесных тел

Теория о формировании земной мантии, разработанная российским химиком, нашла подтверждение в работах американцев. При помощи компьютерных расчетов они подтвердили, что изначально однородная мантия расслоилась сама по себе.

Внутреннее строение Земли – одна из самых больших загадок современной геологии. Профессору Джеймсу Растэду (James Rustad) и доценту Кун Жу Иню (Qing-Zhu Yin) из Калифорнийского университета (University of California, Devis, США) удалось приблизиться к разгадке, как же происходило формирование мантии нашей планеты в далеком прошлом – 4,5 млрд лет назад.

Как устроена мантия

Мантия – огромный слой толщиной более 2 км, состоящий в основном из силикатов магния, железа и кальция. Расположен он на глубине от 30 до 2900 км. Это значит, что большая часть вещества Земли находится именно в мантии. Ученые разделяют мантию на два слоя – верхнюю и нижнюю. Между ними на глубине 400−900 км расположен «слой Голицина» – фазовый переход между менее плотной структурой верхней части и сверхплотной структурой нижней части мантии.

Прямые данные о строении мантии получить невозможно. Поэтому для ее изучения ученым приходится использовать косвенные методы – геохимические и геофизические.

Ключ к разгадке – изотопы железа

Одним из источников информации, которая может помочь в понимании физики мантии, служит состав изотопов железа магматических горных пород. Эти породы можно найти в районах срединно-океанических хребтов или после извержений вулканов. Геологи считают, что некоторые из выброшенных наружу минералов образуются в нижних слоях мантии. Так как состав изотопов железа во многом изменяется от давления и температуры, этот показатель можно использовать для восстановления условий, в которых происходило формирование мантии.

Новая теория

Еще совсем недавно геологи объясняли повышенное содержание тяжелых изотопов железа в магматических горных породах Земли столкновением нашей планеты с другим небесным телом. Кстати, это столкновение и привело к формированию спутника Земли — Луны. Из-за него произошел выброс огромного количества земной материи в космос, поэтому ученые считали, что легкие изотопы железа просто испарились, а тяжелые остались. В феврале 2009 года доктору химических наук из Института экспериментальной минералогии РАН Вениамину Полякову удалось впервые показать, что космические катастрофы здесь ни при чем, а все дело в огромном давлении на границе ядра и мантии.

Компьютер воссоздал прошлое

Опираясь на исследования Вениамина Полякова, команда ученых из Калифорнийского университета продолжила работу. С помощью метода масс-спектрометрии профессор Джеймс Растэд выяснил состав изотопов железа в двух минералах — ферроперовските и ферропериклазе. Потом на основе высокоточных расчетов ученые определили, при каких значениях давления, температуры и спина такой состав может возникать. Дело в том, что железо в ферропериклазе существует в двух состояниях — высокоспиновом (с четырьмя неспаренными электронами) и в низкоспиновом (все электроны спарены). У железа в ферроперовските состояние среднеспиновое — два неспаренных электрона. Естественно, для приведения железа в каждое из этих состояний нужны свои условия.

Компьютерная программа виртуально сжимала и нагревала минералы. Так ученые попытались воссоздать условия, которые существовали 4,5 млрд лет назад. Именно тогда расплавленная жидкая магма стала затвердевать — началась ее кристаллизация.

Как говорит доктор Кун Жу Инь, с помощью такого комплексного подхода им удалось выяснить, как изотопы железа распределялись в уже затвердевшей магме.

Ученые пришли к выводу: сверхвысокое давление порядка 120 ГПа при температуре до 4500°К привело к расслоению: тяжелые изотопы железа (57Fe) образовали соединения, в которых они находились в низкоспиновом состоянии и сконцентрировались в нижнем слое кристаллизующейся мантии, а легкие (54Fe) перешли в высокоспиновое состояние и оказались у поверхности.