Priekopnícka štúdia odhaľuje, že povrchová voda Zeme dosahuje jadro, mení svoje zloženie a naznačuje dynamickejšiu interakciu medzi jadrom a plášťom a komplexný globálny vodný cyklus.

Pred niekoľkými desaťročiami seizmológovia, ktorí zobrazovali hlbokú planétu, identifikovali tenkú vrstvu s hrúbkou niečo viac ako niekoľko stoviek kilometrov. Pôvod tejto vrstvy, známej ako primárna vrstva E, bol doteraz záhadou.

Medzinárodný tím výskumníkov, vrátane vedcov z Arizona State University Dana Shima, Taehyuna Kima a Josepha O’Rourkeho z College of Earth and Space Exploration, odhalil, že voda zo zemského povrchu môže preniknúť hlboko do planéty a zmeniť tak zloženie planéty. Vonkajšia oblasť tekutého kovu nukleuje a vytvára charakteristickú tenkú vrstvu.

Ich výskum bol publikovaný 13. novembra v časopise Prírodné vedy o Zemi.

Proces prepravy hlbokej vody

Výskum naznačuje, že v priebehu miliárd rokov bola povrchová voda transportovaná hlboko do Zeme subdukciou alebo subdukciou tektonických dosiek. Keď táto voda dosiahne hranicu medzi jadrom a plášťom, asi 1800 míľ pod povrchom, spustí hlbokú chemickú reakciu, ktorá zmení štruktúru jadra.

Ilustrácia vnútra Zeme odhaľujúca subdukujúcu vodu a stúpajúci stĺp magmy. Na rozhraní, kde sa vložená voda stretáva s jadrom, dochádza k chemickej výmene za vzniku vrstvy bohatej na vodík v hornom vonkajšom jadre a hustého oxidu kremičitého v spodnej časti plášťa. Kredit: Univerzita Yonsei

Chemické reakcie na rozhraní jadro-plášť

Spolu s Young Jae Lee z Univerzita Yonsei V Južnej Kórei Shim a jeho tím pomocou vysokotlakových experimentov preukázali, že ponorená voda chemicky reaguje so základnými materiálmi. Táto reakcia vytvára vrstvu bohatú na vodík a ochudobnenú o kremík, čím sa horná vonkajšia oblasť jadra mení na štruktúru podobnú filmu. Reakcia navyše vytvára kryštály oxidu kremičitého, ktoré stúpajú a spájajú sa s plášťom. Očakáva sa, že táto modifikovaná tekutá minerálna vrstva bude menej hustá, s nižšími seizmickými rýchlosťami, čo je v súlade s anomálnymi charakteristikami zmapovanými seizmológmi.

Interakcia jadro-plášť a globálne účinky

„Po mnoho rokov sa fyzikálna výmena medzi zemským jadrom a jej plášťom považovala za malú. Naše nedávne vysokotlakové experimenty však odhaľujú iný príbeh. „Zistili sme, že keď voda dosiahne hranicu medzi jadrom a plášťom, interaguje s kremíkom v jadre,“ povedal Shim a vytvára oxid kremičitý.“ „Tento objav, spolu s naším predchádzajúcim pozorovaním diamantov vznikajúcich reakciou vody s uhlíkom v tekutom železe pod extrémnym tlakom, naznačuje oveľa dynamickejšiu interakciu. medzi jadrom a plášťom, čo naznačuje významnú fyzickú výmenu.

Tento objav posúva naše chápanie vnútorných procesov Zeme dopredu, čo naznačuje rozsiahlejší globálny vodný cyklus, ako sa predtým uznávalo. Meniaca sa „vrstva“ jadra má hlboké dôsledky pre geochemické cykly spájajúce kolobeh povrchovej vody s hlbokým minerálnym jadrom.

Odkaz: „Vrstva bohatá na vodík v hornom vonkajšom jadre pochádza z hlboko ponorenej vody“ od Taehyuna Kima, Josepha J. O’Rourkeho, Jeongmin Lee, Stella Chariton, Vitaly Prakapinka, Rachel J. Husband, Nico Giordano, Hans-Peter Lerman, Sang-Hyun Shim a Youngjae Lee, 13. novembra 2023, Prírodné vedy o Zemi.
doi: 10.1038/s41561-023-01324-x

Štúdiu vykonal medzinárodný tím geovedcov s použitím pokročilých experimentálnych techník v Advanced Photon Source v Argonne National Laboratory a PETRA III z Deutsches Elektronen-Synchrotron v Nemecku, aby replikovali extrémne podmienky na hranici medzi jadrom a plášťom.

Členmi tímu a ich kľúčovými úlohami z ASU sú Kim, ktorý tento projekt začal ako hosťujúci doktorand a teraz je postdoktorandským výskumníkom v Škole prieskumu Zeme a vesmíru; Wasim, profesor na Škole prieskumu Zeme a vesmíru, ktorý viedol vysokotlakové experimentálne práce; O’Rourke, odborný asistent na Škole prieskumu Zeme a vesmíru, vykonal výpočtové simulácie, aby pochopil vznik a kontinuitu meniacej sa tenkej vrstvy v jadre. Lee viedol výskumný tím z Yonsei University spolu s hlavnými výskumnými vedcami Vitaly Prakapinkou a Stellou Chariton z Advanced Photon Source a Rachel Zug, Nico Giordano a Hans-Peter Lerman z Deutsches Elektronen-Synchrotron.

Táto práca bola podporená programom NSF Earth Sciences Program.