Геофизики нашли в Земле загадочный слой, оставшийся от столкновений планет

В недрах Земли на глубине 3000 километров находится загадочный слой, названный слоем D. Он расположен чуть выше границы между расплавленным внешним ядром планеты и ее твердой мантией, заявили ученые в исследовании, опубликованном 13 мая в журнале National Science Review.

В отличие от идеальной сферы, слой D на удивление неоднороден. Его толщина сильно варьируется от места к месту, а в некоторых регионах слой D вообще отсутствует — подобно тому, как континенты возвышаются над океанами Земли. Эти интригующие вариации привлекли внимание геофизиков, которые описывают слой D как гетерогенную или неоднородную область.

Новое исследование, проведенное доктором Циньян Ху (Центр передовых исследований в области науки и техники высокого давления) и доктором Цзе Денгом (Принстонский университет), предполагает, что слой D, возможно, возник в самые ранние дни существования Земли. Их теория основана на гипотезе гигантского удара, которая предполагает, что объект размером с Марс врезался в Протоземлю, создав после этого океан магмы по всей планете. Они полагают, что слой D может быть уникальным по составу, оставшимся после этого колоссального столкновения, и потенциально может содержать ключи к пониманию формирования Земли.

Доктор Цзе Дэн подчеркнул наличие значительного количества воды в этом глобальном магматическом океане. Точное происхождение этой воды остается предметом дискуссий, и были выдвинуты различные теории, включая ее образование в результате взаимодействия газа туманности и магмы или прямое попадание в атмосферу кометами.

«Преобладающая точка зрения, — пояснил доктор Дэн, — предполагает, что вода по мере остывания должна была концентрироваться на дне океана магмы. На заключительных этапах магма, расположенная ближе всего к ядру, могла содержать объемы воды, сравнимые с современными океанами Земли».

Экстремальные условия давления и температуры в донном магматическом океане могли создать уникальную химическую среду, способствующую неожиданным реакциям между водой и минералами. «Наши исследования показывают, что этот водный океан магмы способствовал образованию богатой железом фазы, называемой пероксидом железа и магния», — объяснил Доктор Циньян Ху.

Этот пероксид с формулой (Fe, Mg)O₂ имеет еще большее предпочтение железу по сравнению с другими основными компонентами, ожидаемыми в нижней мантии. «По нашим расчетам, его сродство к железу могло привести к накоплению пероксида с преобладанием железа в слоях толщиной от нескольких до десятков километров», — добавляют исследователи.

Присутствие этой богатой железом пероксидной фазы могло бы изменить минеральный состав слоя D, что отличается от наших нынешних представлений. Согласно новой модели, в минералах группы D будет преобладать новый состав: силикат с низким содержанием железа, пероксид с высоким содержанием железа (Fe, Mg) и оксид с низким содержанием железа (Fe, Mg).

Этот пероксид с преобладанием железа также обладает низкими сейсмическими скоростями и высокой электропроводностью, что делает его потенциальным кандидатом для объяснения уникальных геофизических особенностей слоя D. Эти особенности включают зоны сверхнизких скоростей и слои с высокой проводимостью, которые способствуют хорошо известной неоднородности состава слоя D.

«Наши результаты показывают, что богатый железом пероксид, образовавшийся из древней воды в магматическом океане, сыграл решающую роль в формировании гетерогенных структур слоя D, — сказал Циньян. — Сильное сродство этого пероксида к железу создает резкий контраст плотности между этими богатыми железом участками и окружающей мантией».

По сути, он действует как изолятор, предотвращая их смешивание и потенциально объясняя длительную неоднородность, наблюдаемую у основания нижней мантии. Цзе добавил: «Эта модель хорошо согласуется с недавними результатами численного моделирования, предполагая, что неоднородность самой нижней мантии может быть долговременной особенностью».