Из ядра Земли просачиваются древние вещества: учёные выяснили, что происходит в глубинах планеты

Ядро Земли постепенно отдаёт окружающим слоям вещества, которые оказались внутри планеты ещё во времена её формирования около 4,5 миллиарда лет назад. Среди них — водород из первичного газопылевого облака, породившего Солнечную систему. Новое исследование показывает, что обмен веществами между ядром и мантией продолжается на протяжении миллиардов лет, а его следы можно обнаружить даже в вулканических породах на поверхности Земли.

Когда наша планета только формировалась, она представляла собой раскалённый шар, покрытый глобальным океаном магмы. Из её недр вырывались ядовитые газы, а поверхность постоянно подвергалась ударам раскалённых космических тел. За последующие 4,5 миллиарда лет Земля остыла настолько, что на ней смогла возникнуть и развиться жизнь.

Однако глубоко внутри сохранились условия, напоминающие о её бурном прошлом. Металлическое ядро Земли по-прежнему раскалено примерно до температуры поверхности Солнца. И, как выясняется, оно не полностью изолировано от окружающих слоёв планеты.

Одно из веществ, постепенно покидающих ядро, — водород, захваченный Землёй из того самого газопылевого облака, из которого образовалось Солнце. Поднимаясь в мантию и земную кору, он может участвовать в образовании воды. Но речь не об обычной жидкой воде, которая образует океаны и реки, а о воде, связанной внутри минералов.

Группа геофизиков из Научно-технического университета Китая в Хэфэе решила разобраться в давнем вопросе: почему химический состав глубинной мантии неоднороден?

Существуют два возможных объяснения. Согласно первому, различия возникли ещё при формировании Земли, когда первоначальный океан магмы постепенно остывал и кристаллизовался. Согласно второму, химический состав мантии менялся впоследствии из-за постоянного обмена веществами с ядром.

Чтобы проверить эти гипотезы, исследователи применили компьютерное моделирование методом интегралов по траекториям с использованием машинного обучения. Этот подход позволяет учитывать квантовые особенности поведения атомов и молекул, что особенно важно для водорода.

Из-за чрезвычайно малой массы атомы водорода заметно подвержены квантовым эффектам. Поэтому для изучения его перемещения внутри планеты обычных представлений о поведении вещества оказывается недостаточно.

Главным инструментом анализа стало соотношение дейтерия и обычного водорода. Дейтерий — более тяжёлый изотоп водорода, и сравнение их количества позволяет проследить происхождение вещества и его перемещение между слоями Земли.

Учёные проверили, могло ли наблюдаемое распределение изотопов возникнуть исключительно при затвердевании древнего океана магмы.

Расчёты показали, что при кристаллизации разделение дейтерия и обычного водорода между минералами и расплавом было слишком слабым, чтобы создать значительные различия в их соотношении. Иными словами, древняя мантия должна была получить практически однородный изотопный состав водорода.

Этот вывод сохранялся даже при существенном изменении температуры, давления и других параметров модели.

Наибольшее значение имело первоначальное соотношение изотопов водорода в магматическом океане. Остальные факторы влияли на результат сравнительно слабо. Даже количество воды, которое, согласно рассматриваемым оценкам, могло достигать массы двух современных земных океанов, почти не меняло общей картины.

Причина заключалась в чрезвычайно бурных условиях ранней Земли. Энергичные процессы в глобальном океане магмы мешали дейтерию и обычному водороду упорядоченно распределяться между формирующимися слоями планеты.

Таким образом, первоначальная кристаллизация Земли не могла сама по себе объяснить значительные различия в изотопном составе водорода, наблюдаемые сегодня в глубинных веществах.

Но откуда тогда взялись эти различия?

Важную подсказку дают базальты океанических островов. Эти вулканические породы образуются из магмы, источники которой могут находиться глубоко в мантии, вблизи границы с земным ядром.

Подобные породы встречаются, например, на острове Баффинова Земля в канадской территории Нунавут и в Исландии. Поднимающаяся из глубин магма приносит на поверхность химические следы процессов, происходящих далеко под земной корой.

Особый интерес представляет содержащийся в этих породах лёгкий водород. Его изотопный состав указывает на связь с первичным веществом солнечной туманности — газопылевого облака, существовавшего ещё до образования привычной нам Солнечной системы.

Исследователи предполагают, что часть этого древнего водорода первоначально оказалась запертой в ядре Земли. Постепенно просачиваясь из него в мантию, она меняет соотношение изотопов, уменьшая долю дейтерия относительно обычного водорода.

Однако одного водорода недостаточно, чтобы убедительно проследить подобный обмен. Поэтому учёные обратились ещё к двум химическим элементам — гелию и вольфраму.

Гелий существует в нескольких изотопных разновидностях. Более лёгкий гелий-3 имеет первичное происхождение: он присутствовал в веществе солнечной туманности, причём значительная его часть восходит ещё к Большому взрыву. Более тяжёлый гелий-4 образуется в результате радиоактивного распада в верхних слоях Земли.

Если в вулканических породах обнаруживается повышенное соотношение гелия-3 к гелию-4, это служит дополнительным признаком поступления древнего вещества из глубин планеты.

Третий элемент — вольфрам — помогает проследить уже непосредственно связь с ядром.

Когда молодая Земля разделялась на отдельные внутренние слои, значительная часть этого тяжёлого металла оказалась сосредоточена в ядре. Однако определённые изотопные следы вольфрама теперь обнаруживаются и в веществе, которое поднимается из глубин мантии.

По мнению исследователей, это указывает на перенос материала, связанного с ядром, вверх через внутренние слои планеты.

В результате учёные получили сразу три независимых химических указателя: изотопные соотношения водорода, гелия и вольфрама. Вместе они позволяют проследить движение древнего вещества из глубин Земли и лучше понять происхождение необычного химического состава некоторых вулканических пород.

Полученные результаты заставляют иначе взглянуть на историю земной мантии.

Ранее предполагалось, что отдельные глубинные области могут сохранять почти неизменным химический состав, сформировавшийся ещё при первоначальном разделении Земли на ядро и мантию. Такие участки рассматривались как своеобразные хранилища вещества древней планеты.

Авторы нового исследования не исключают, что подобные резервуары действительно существовали. Однако они считают маловероятным, что современный изотопный состав водорода в глубокой нижней мантии представляет собой лишь нетронутый остаток процессов, происходивших 4,5 миллиарда лет назад.

Гораздо лучше наблюдаемые особенности объясняет другая картина: ядро и мантия не прекращали обмениваться веществами после своего формирования. Этот процесс продолжался на протяжении всей геологической истории Земли, постепенно изменяя химический состав её внутренних слоёв.

Получается, что глубинные вулканические породы могут содержать одновременно следы самых ранних этапов существования Солнечной системы и свидетельства процессов, которые происходят внутри планеты до сих пор.

Исследование опубликовано в научном журнале Science Advances.