Гипотеза: ядро Земли ржавеет

Железо на поверхности Земли - будь то простые гвозди или мощные балки - постепенно изменяется под воздействием влажного воздуха или насыщенной кислородом воды. Происходит окисление, химическая реакция превращает металл в ржавчину, пишет Альтернативная наука.

Сама ржавчина может состоять из различных форм гидратных оксидов или оксид-гидроксидов железа.

В природе красные скалы обязаны своим цветом минералам оксида железа: гематит появляется в более влажной сред, тогда как в пустынных районах скалы выветриваются, образуя оксид-гидроксидные соединения, или гетит (FeOOH).

Мы знаем, что глубоко под поверхностью Земли находится масса расплавленного железа, основной компонент внешнего ядра планеты. Может ли оно также заржаветь?

Недавно ученые показали, что когда железо встречается с влагой - в виде воды или гидроксилсодержащих минералов - при давлении около 1 миллиона атмосфер, достигаемом в нижней мантии, образуется пероксид с той же структурой, что и пирит (то есть FeOOH пиритного типа) [Hu et al., 2016, Mao et al., 2017].

Другими словами, реакции окисления действительно образует ржавчину под высоким давлением.

Если ржавчина присутствует на границе внешнего ядра и мантии, ученым, скорее всего, придется пересмотреть свои представления о внутреннем строении Земли и ее истории.

Ржавчина может пролить свет на круговорот глубинных вод в нижней мантии и происхождение зон сверхнизких скоростей (ЗСНС) - небольших областей в верхней части жидкого ядра Земли, которые значительно замедляют сейсмические волны (рис. 1).

Также необходимо пояснение феномена Великого окисления, которое ознаменовало начало образования богатой кислородом атмосферы Земли примерно 2,5-2,3 миллиарда лет назад

А заодно и неопротерозойское окисление 1 миллиард-540 миллионов лет назад, в результате чего свободный кислород в атмосфере достиг современной концентрации.

Сейсмические сигнатуры на границе ядра и мантии

Хотя мы не можем добывать минералы на значительных глубинах, нам доступны точные методы исследования. Если ядро со временем ржавеет, то на поверхности мантии должен накопиться приличный слой ржавчины, демонстрирующий определенные сейсмические сигнатуры.

Лабораторные исследования показывают, что оксид-гидроксидная ржавчина ядра вызывает значительное снижение скоростей сейсмических волн (Vs) и волн сжатия (Vp), которые проходят через нее, подобно тому, как это делают породы [Liu et al., 2017].

Фактически ржавчина в ядре замедляет скорости сейсмических волн на 44% для Vs и 23% для Vp по сравнению со средними сейсмическими скоростями в зависимости от глубины, представленными в предварительной эталонной моделе Земли.

Такое значительное снижение скоростей делает ржавчину различимой для сейсмической томографии, если ее толлщина составляет 3-5 километров.

Сложность заключается в том, чтобы определить, вызваны ли сейсмические аномалии в ЗСНС ржавчиной в ядре или они имеют другое происхождение.

Например, частичное плавление, которое, как принято считать, происходит в основании нижней мантии и является причиной возникновения ЗСНС [Williams and Garnero, 1996], может привести к уменьшению сейсмических скоростей.

Ученые должны иметь возможность использовать сейсмические томограммы, чтобы отличить ржавчину ядра от частичного плавления в самой мантии. Сейсмическая томограмма обычно создается с помощью математического процесса инверсии, который позволяет сопоставить рассчитанные и наблюдаемые формы сейсмических волн.

Процесс инверсии требует определения возможных математических решений, которые соответствуют данным, а затем выбору "лучшего" решения на основе дополнительных соображений.

Каждое возможное математическое решение соответствует отдельному набору параметров модели, связанных с физическими свойствами вовлеченных материалов - например, относительные различия в Vs, Vp и плотности между интересующим материалом и средним значением окружающей мантии вокруг этого материала.

Эти различия могут меняться в зависимости от количества материала в мантии, но он демонстрирует характерный диапазон значений дифференциального логарифмического отношения Vs к Vp (δlnVs:δlnVp) [Chen, 2021], который можно использовать для различения материалов на сейсмических томограммах (рис. 2).

Из экспериментов по физике минералов известно, что это отношение колеблется от нижнего предела 1,2 к 1 до верхнего предела 4,5 к 1 для всех возможных материалов, объясняющих происхождение ЗСНС. В этом более широком диапазоне соотношение для ржавчины ядра (пирит типа FeOOHx) находится в пределах от 1,6 к 1 до 2 к 1 и отличается от других материалов.

Доказательства происхождения ржавчины в ядре

К настоящему времени сейсмологи в поисках ЗСНС проанализировали около 60% площадей на границе ядра и мантии, в результате чего выявили около 50 мест сейсмических аномалий, составляющих до 20% ее площади. Предположительно, речь идет о ржавчине, которая плавится в мантии.

Большинство этих регионов связаны с крупными провинциями низких скоростей сдвига (LLSVP) в нижней мантии и демонстрируют соотношение δlnVs:δlnVp примерно 3 к 1, что свидетельствует о частичном плавлении (рис. 2).

Однако некоторые из них, расположенные на окраинах или за пределами LLSVP под Тихим океаном, демонстрируют наилучшее соотношение 2:1 [Chen, 2021].

Например, РСЗС на северной границе Тихоокеанской плитой (около 9° с.ш., 151° з.д.) [Hutko et al., 2009] и кластер РСЗС под северной Мексикой (около 24° с.ш., 104° з.д.) [Havens and Revenaugh, 2001] имеют соотношения δlnVs:δlnVp, которые указывают на присутствие FeOOHx пиритового типа.

Общей особенностью указанных РСЗС является то, что они расположены в области границы мантии, где температура относительно низкая - на несколько сотен градусов ниже, чем средняя температура в пределах основного слоя мантии.

Низкие температуры также указывают на то, что эти зоны образовались в результате другого механизма, нежели плавление.

Примечательно, что область под северной Мексикой была идентифицирована как остатки глубокой субдукции, произошедшей примерно 200 миллионов лет назад к западу от Северной и Центральной Америки, что поддерживает идею о том, что вода, высвобожденная из субдуцирующей плиты, могла заржаветь во внешнем ядре.

Последствия ржавого ядра

Считается, что доминирующий минерал в нижней мантии Земли, бриджманит, не способен удерживать воду. Однако ржавление ядра может привести к образованию мощного резервуара воды на границе с мантией - ржавчина FeOOHx содержит около 7% воды по весу [Tang et al., 2021].

Поскольку ржавчина ядра тяжелее средней мантии, этот резервуар воды будет иметь тенденцию оставаться на границе. Таким образом, вода способна транспортироваться и храниться до тех пор, пока мантийная конвекция не унесет ее из более холодных областей вблизи остатков субдуцированных плит и не сделает ее термически неустойчивой (рис. 3).

Будет ли и когда эта глубинная вода возвращаться на поверхность, во многом зависит от термической стабильности ржавчины в ядре.

Некоторые ученые на основе экспериментальных работ утверждают, что FeOOHx может сохраняться только до 2400 К при давлении в мантии [Nishi et al., 2017], в то время как другие наблюдали присутствие FeOOHx при 3100-3300 К при аналогичном давлении [Liu et al., 2017].

Но какой бы ни была максимальная температура, вполне вероятно, что, когда ржавчина ядра мигрирует в более горячие области мантии, следуя за потоком мантийной конвекции, она разлагается на гематит, воду и кислород.

Причины

Геологические, изотопные и химические данные свидетельствуют о том, что в течение архейского эона атмосфера Земли была в основном или полностью аноксичной. После архея первое поступление молекулярного кислорода в атмосферу началось около 2,4 миллиарда лет назад. Второй крупный подъем атмосферного кислорода произошел около 750 миллионов лет назад, в результате чего его концентрация приблизилась к современнному уровню.

Причины этих событий остаются неясными. Одно из возможных объяснений - появление цианобактерий, ранних фотосинтезирующих предшественников растений. Кислородное обогащение, произошедшее почти 2 миллиарда лет спустя, объясняется быстрым ростом морского фотосинтеза и увеличением фотопериода (то есть продолжительности светового дня) [Klatt et al., 2021].

Однако предлагаемые объяснения далеко не безупречны. Ряд исследований указывает на возможность глубокой ремисии, которая растянулась на несколько сотен миллионов лет. До сих пор не существует убедительного объяснения подъема и спада O2 на основе цианобактериального фотосинтеза.

Более того, лабораторные эксперименты, изучающие влияние фотопериода на чистый экспорт кислорода из микробных матов, в которых располагаются конкурирующие фотосинтетические и хемосинтетические сообщества, дают противоречивый результат [Klatt et al., 2021].

Эксперименты показали, что вместо того, чтобы из таких матов выходило больше кислорода в результате увеличения продолжительности светового дня, обогащение O2 произошло в относительно краткосрочный период, когда сутки увеличились до 21 часа. С тех пор никаких изменений в структуре атмосферы не произошло. А это, между прочим, косвенный признак того, что каменноугольного периода в геологической истории Земли не было.

В нашем же случае изменения, приписываемые цианобактериям, не дают полного или последовательного объяснения увеличения содержания кислорода в атмосфере с архейских времен, а потому нельзя исключать альтернативные механизмы происхождения этих событий.

Субдукция, миграция, конвекция, извержение

Десятилетия исследований не дали убедительных доказательств того, когда запустилась тектоника плит на Земле.

Однако некоторые последние исследования показывают, что субдукция начала приносить гидрогенные минералы в глубокую мантию более 3,3 миллиарда лет назад.

Кроме того, экспериментальные исследования показали, что гидрогенные минералы в субдуцирующих плитах способны передавать воду вплоть до мантии [Ohtani, 2019].

Если это так, то ржавление произошло, как только первая древняя плита встретилась с ядром. Ржавчина могла постепенно накапливаться в верхних слоях мантии, порождая РСЗС.

По мере удаления от более холодной области субдукции к расплавленному внешнему ядру, скопления ржавого железа нагревалась под действием мантийной конвекции и, вероятно, становилась нестабильной, когда достигала более горячей области, где зародился мантийный плюм (рис. 3).

Подобно тому, как типичные вулканические извержения происходят периодически, разложение ржавчины в ядре под действием температуры могло привести к периодическим выбросам кислорода на поверхность.

В отличие от постепенного увеличения кислорода в результате фотосинтеза цианобактерий, такой всплеск мог высвободить кислород быстрее, чем поверхностная среда успела бы отреагировать и поглотить его, вызвав быстрый первоначальный подъем и последующее падение уровня кислорода в атмосфере.

Накопление ржавого металла и его миграция к месту термического разложения происходило на протяжении гораздо больше времени по сравнению с продолжительностью извержений магмы на поверхность планеты.

Действительно, некоторые образовавшиеся залежи ржавчины могли не достичь самой горячей области, они остались «плавать» в мантии.

Геологические данные свидетельствуют о том, что поверхность Земли была полностью покрыта океаном примерно до 3,2 миллиарда лет назад. Удаление воды с поверхности и переход в стадию ржавения ядра могло способствовать появлению континентов в архее, хотя изменения в топографии поверхности, вызванные тектоникой плит, и рост плавучих континентов также способствовали этому появлению.

Потенциальный сдвиг парадигмы

Интересно, что никто не может прямо доказать, что жидкое железное ядро Земли, находящееся на глубине 2 900 километров под поверхностью, ржавеет, как будто находясь на поверхности Земли. Тем не менее, дальнейшие исследования помогут соскоблить слои неопределенности и ответить на основные вопрос: является ли ржавление ядра причиной роста содержания кислорода или нет?

В частности, необходимо больше лабораторных экспериментов для точного определения пределов термической и композиционной стабильности ржавчины ядра по сравнению с расплавленным железом в верхних слоях мантии.

Кроме того, необходимо исследовать равновесие между ржавчиной и жидким железом при высоком давлении и высокой температуре.

Другие исследования могли бы изучить термическую стабильность ржавчины при высоких давлениях. Эти эксперименты являются сложными, но выполнимыми с текущими экспериментальными возможностями ячеек алмазной наковальни с лазерным нагревом.

Кроме того, необходима дополнительная работа, чтобы определить, когда началась субдукция и, в частности, когда началась "влажная субдукция", при которой гидрогенные минералы попадают в глубокие недра.

Геохимические данные свидетельствуют о том, что влажная субдукция началась не ранее 2,25, а не 3,3 миллиарда лет назад. Такое позднее начало влажной субдукции может поставить под сомнение гипотезу о том, что ржавление ядра стало причиной глобального изменения структуры атмосферы планеты.

Более того, вопрос о том, включает ли мантийная конвекция слоистую циркуляцию (то есть отдельные конвективные ячейки в нижней и верхней мантии), циркуляцию всей мантии или какой-то гибрид этих сценариев, все еще требует уточнения.

Если в мантии преобладает слоистая циркуляция, то субдуцирующим плитам будет препятствовать проникновение в нижнюю мантию. Таким образом, для того, чтобы слэбы и переносимые ими гидрогенные минералы достигли поверхности мантии и потенциально могли вызвать ржавление, должна существовать либо общемантийная, либо гибридная конвекция [Chen, 2016].

Если все части головоломки встанут на свои места, то ржавление ядра действительно окажется массивным внутренним генератором кислорода на Земле - и следующее большое событие по насыщению атмосферы кислородом может быть уже на подходе.

Возможность такого события поставит вопрос о том, какое влияние оно окажет на окружающую среду, климат и пригодность для обитания в будущем.

В ближайшей перспективе подтверждение того, что ядро Земли ржавеет, приведет к изменению парадигмы в нашем понимании глубинных недр планеты и их влияния на биосферу Земли.

Литература:

Chen, J. (2016), Lower-mantle materials under pressure, Science, 351(6269), 122–123.

Chen, J. (2021), Tracking the origin of ultralow velocity zones at the base of Earth’s mantle, Natl. Sci. Rev., 8(4), nwaa308.

Havens, E., and J. Revenaugh (2001), A broadband seismic study of the lowermost mantle beneath Mexico: Constraints on ultralow velocity zone elasticity and density, J. Geophys. Res., 106(B12), 30,809–30,820.

Hu, Q., et al. (2016), FeO₂ and FeOOH under deep lower-mantle conditions and Earth’s oxygen-hydrogen cycles, Nature, 534(7606), 241–244.

Hutko, A. R., T. Lay, and J. Revenaugh (2009), Localized double-array stacking analysis of PcP: D″ and ULVZ structure beneath the Cocos plate, Mexico, central Pacific, and north Pacific, Phys. Earth Planet. Inter., 173(1), 60–74.

Klatt, J. M., et al. (2021), Possible link between Earth’s rotation rate and oxygenation, Nat. Geosci., 14(8), 564–570.

Liu, J., et al. (2017), Hydrogen-bearing iron peroxide and the origin of ultralow-velocity zones, Nature, 551, 494–497.

Mao, H.-K., et al. (2017), When water meets iron at Earth’s core–mantle boundary, Natl. Sci. Rev., 4(6), 870–878.

Nishi, M., et al. (2017), The pyrite-type high-pressure form of FeOOH, Nature, 547(7662), 205–208.

Ohtani, E. (2019), The role of water in Earth’s mantle, Natl. Sci. Rev., 7(1), 224–232.

Tang, R., et al. (2021), Chemistry and P–V–T equation of state of FeO₂H_x at the base of Earth’s lower mantle and their geophysical implications, Sci. Bull., 66(19), 1,954–1,958.

Williams, Q., and E. J. Garnero (1996), Seismic evidence for partial melt at the base of Earth’s mantle, Science, 273(5281), 1,528–1,530.

Информация об авторе

Shanece S. Esdaille, Center for Study of Matter at Extreme Conditions and Department of Mechanical and Materials Engineering, Florida International University, Miami