24.02.2021

Моделирование лишило земное ядро половины углерода

Моделирование лишило земное ядро половины углерода

Углерода в ядре Земли в два раза меньше, чем считалось ранее — такие данные получили геофизики с помощью модели образования Земли из углистых хондритов. Для этого они проанализировали распределение углерода между металлической и силикатной фазами, которые составляют ядро и мантию, соответственно, при условиях формирования земного ядра. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Углерод играет значительную роль в геодинамических процессах, в том числе влияет на динамику мантии и плавление магмы. Для того, чтобы понять, из каких блоков образовалась наша планета и как работали процессы доставки и потери углерода после ее образования, ученые моделируют содержание углерода в Земле и процессы его перераспределения между основными компонентами магмы: металлической и силикатной. Ядро состоит из металлической фазы, в которой в основном представлены железо, никель и их оксиды, а в мантии расположены силикатные фазы, которые представляют собой силикаты этих металлов с примесями — часто для оценки состава мантии используют минерал оливин.

Земное ядро на 10 процентов менее плотное, чем чисто металлическое при тех же условиях. К этому моменту непонятно, какой из легких элементов (кремний, кислород, сера, водород или углерод) вносит самый большой вклад в понижение плотности. Их наличие важно для понижения температуры плавления железа и образования конвекционных потоков во внешней части ядра, которые влияют на генерацию магнитного поля Земли.

Ученые предполагают, что именно углерод вносит большой вклад в свойства ядра из-за своей сидерофильности — сродству к металлическим фазам. Углерод в изобилии находится в углистых хондритах, что позволяет представить их, как строительные блоки зарождающейся Земли. Наличие углерода в ядре в качестве основного легкого элемента соответствует экспериментальным сейсмическим свойствам внутреннего ядра.

Моделирование лишило земное ядро половины углерода

Моделирование лишило земное ядро половины углерода

Ребекка Фишер (Rebecca Fischer) из Гарвардского университета со своими коллегами рассмотрела распределение углерода между металлической фазой магмы и силикатной в условиях образования Земного ядра. Они смешали порошки оливина, железа, никеля и графита и нагрели лазером в алмазной наковальне, чтобы достигнуть давления 37-59 гигапаскаль (~365-582 тысяч атмосфер) и температуры 4200-5200 кельвин. При подобных условиях углерод проявляет менее сидерофильные свойства, то есть распределение углерода между фазами металлов и силикатов стало отличаться не в 10000 раз, а в 100. Ученые дополнили свои данные предыдущими работами, в которых были более низкие температуры и давления, и вычислили параметры эмпирической зависимости коэффициента распределения от температуры, давления, степени полимеризации силиката и содержания серы и кислорода.

Геофизики смоделировали образование Земли аккрецией 50 малых тел с составом огнеупорных хондритов CI. Ключевыми параметрами модели были распределения железа, кремния, кислорода, никеля, серы и углерода. В каждый момент времени равновесие углерода между металлической фазой и силикатной достигалось при 65 процентах давления на границе ядра и мантии, температуре плавления породы перидотита и при котором летучесть кислорода изменилась линейно от 1,5 до 3. Такое поведение летучести кислорода объясняется двумя факторами: аккрецией более окисленного материала с внешнего диска в конце планетной аккреции и восстановление оксида кремния железом, которое протекает при повышенной температуре и давлении. Эти условия модели позволили ученым оценить состав примесей ядра: 7.8 процентов кремния, 5.2 процентов никеля, 1.2 процента кислорода, 0.9 процента серы и 0.09 — 0.2 процента углерода. Это позволило геофизикам опровергнуть большой вклад углерода в понижение плотности ядра. Сейсмические свойства ядра удалось объяснить большим содержанием кремния и кислорода, которые оба при повышении температуры и давления становятся более сидерофильными.

И хотя содержание углерода в Земном ядре оказалось меньше предыдущих оценок, это количество все равно составляет от 78 до 89 процентов всего углерода на Земле. Но авторы признают, что оценка грубая и содержание углерода в ядре может быть еще меньше.

Соотношение между летучими элементами — распространенная техника установления исходных источников образования Земли, но обогащенность ядра летучими компонентами слабо изучена при больших давлениях и температурах для всех элементов, кроме серы. Авторы сопоставили концентрации углерода и серы и пришли к выводу, что процесс образования ядра отделяет серу от углерода. Содержание серы и углерода больше всего соответствует хондритам CO, CV и EL. Таким образом, ученые подтвердили модели, в которых углистые хондритоподобные предшественники вносят существенный вклад в летучие компоненты Земли.

Процессы в ядре Земли активно изучаются многими научными группами. Полгода назад ученые выяснили, что оксид железа (II) в силикатных минералах мантии диспропорционирует на высший оксид и металлическое железо, что позволяет кислороду и воде выйти из ядра наружу. А два года назад химики показали, что при условиях земного ядра может образовываться экзотическое стабильное соединение гелия и оксида железа (IV). О других интересных возможностях высоких давлений рассказывается в нашем материале «Путешествие к центру Земли».

Поделиться ссылкой: