Możliwe pozostałości chemiczne z wczesnej Ziemi znajdujące się w pobliżu jądra – ScienceDaily

W pobliżu jądra znajdują się obszary, w których fale sejsmiczne spowalniają do punktu pełzania. Nowe badania przeprowadzone na Uniwersytecie Utah wykazały, że te niezwykle wolne, tajemnicze i tak zwane regiony mają zaskakujące warstwy. Modelowanie sugeruje, że możliwe jest, że niektóre z tych obszarów są pozostałościami procesów, które ukształtowały wczesną Ziemię — pozostałościami niejednolitych mieszanek, takich jak grudki mąki na dnie miski do ciasta.

Thorne, adiunkt na Wydziale Geologii i Geofizyki: „Ze wszystkich znanych nam cech głębokiego płaszcza, regiony o bardzo małej prędkości reprezentują to, co może być najbardziej ekstremalne”. „W rzeczywistości są to jedne z najbardziej ekstremalnych cech, jakie można znaleźć na całej planecie”.

Badanie zostało opublikowane w nauki przyrodnicze Jest finansowany przez Narodową Fundację Nauki.

w płaszczu

Przyjrzyjmy się, jak zbudowane jest podłoże. Żyjemy na skorupie, cienkiej warstwie twardej skały. Pomiędzy skorupą a jądrem żelazo-niklowym w centrum planety znajduje się płaszcz. Nie jest to ocean lawy – zamiast tego wygląda jak twarda skała, ale jest gorący i ma zdolność poruszania się, która napędza ruch płyt tektonicznych na powierzchni.

Jak możemy mieć jakiekolwiek pojęcie o tym, co się dzieje w płaszczu i rdzeniu? fale sejsmiczne. Gdy fale falują po ziemi po trzęsieniu ziemi, naukowcy na powierzchni mogą mierzyć, jak i kiedy fale docierają do stacji monitorujących na całym świecie. Dzięki tym pomiarom mogą obliczyć, w jaki sposób fale są odbijane i odchylane przez struktury wewnątrz Ziemi, w tym warstwy o różnej gęstości. W ten sposób znamy granice między skorupą, płaszczem i jądrem – a częściowo, jak wiemy, jakie są ich składniki.

Rejony o bardzo małych prędkościach znajdują się w dolnej części płaszcza, powyżej zewnętrznego jądra z ciekłego metalu. W tych regionach fale sejsmiczne zwalniają o połowę, a ich intensywność wzrasta o jedną trzecią.

Naukowcy początkowo myśleli, że te obszary to obszary częściowo stopionego płaszcza, prawdopodobnie źródło magmy dla tak zwanych „gorących” regionów wulkanicznych, takich jak Islandia.

„Ale większość rzeczy, które nazywamy obszarami o bardzo niskiej prędkości, nie wydaje się leżeć pod wulkanami o gorących punktach, więc nie może to być cała historia” – mówi Thorne.

Tak więc Thorne, naukowiec podoktorancki Surya Bachai i współpracownicy z Australian National University, Arizona State University i University of Calgary postanowili zbadać alternatywną hipotezę: że regiony o bardzo niskiej prędkości mogą być regionami zbudowanymi z innych skał niż reszta. płaszcz – i aby jego skład sięgał początków ziemi.

Być może regiony o ultraniskiej prędkości mogą być skupiskami tlenku żelaza, które na powierzchni widzimy jako rdzę, ale w głębokim płaszczu mogą zachowywać się jak metal, mówi Thorne. Jeśli tak, to kieszenie tlenku żelaza tuż poza jądrem mogą wpływać na ziemskie pole magnetyczne generowane bezpośrednio poniżej.

„Właściwości fizyczne regionów o bardzo niskich prędkościach są związane z ich pochodzeniem”, mówi Bachai, „co z kolei dostarcza ważnych informacji o stanie termicznym i chemicznym, ewolucji i dynamice dolnego płaszcza Ziemi — zasadniczej części konwekcji płaszcza. który napędza tektonikę płyt”.

Odwrócone fale sejsmiczne

Aby uzyskać wyraźny obraz, naukowcy zbadali obszary ultraniskiej prędkości pod Morzem Koralowym, między Australią a Nową Zelandią. Jest to idealna lokalizacja ze względu na obfitość sejsmiczności w regionie, która zapewnia wysokiej rozdzielczości obraz sejsmiczny na granicy rdzeń-płaszcz. Oczekiwano, że obserwacje o wysokiej rozdzielczości ujawnią więcej informacji na temat grupowania regionów o ultraniskiej prędkości.

Ale zrobienie zdjęcia sejsmicznego czegoś przez około 1800 mil skorupy i płaszcza nie jest łatwe. Nie zawsze jest to rozstrzygające — gruba warstwa materiału o niskiej prędkości może odbijać fale sejsmiczne w taki sam sposób, jak cienka warstwa materiału o niskiej prędkości.

Zespół zastosował więc podejście inżynierii odwrotnej.

„Możemy stworzyć model Ziemi, który zawiera bardzo niskie redukcje prędkości fal, a następnie przeprowadzić symulację komputerową, która mówi nam, jak wyglądałyby fale sejsmiczne, gdyby taki był rzeczywisty kształt Ziemi. Naszym następnym krokiem jest porównanie tych przewidywanych nagrania z nagraniami, które już mamy” – mówi Bachai.

W ciągu setek tysięcy przebiegów modelu metoda, zwana inwersją bayesowską, tworzy solidny model matematyczny wnętrza z dobrym zrozumieniem niepewności i kompromisów różnych założeń modelu.

Jednym konkretnym pytaniem, na które naukowcy chcieli odpowiedzieć, było to, czy w obszarach o bardzo niskiej prędkości istnieją struktury wewnętrzne, takie jak warstwy. Według modeli odpowiedź brzmi, że warstwy są bardzo ważone. To duży problem, ponieważ pokazuje, jak można zrozumieć, jak te obszary wyglądają.

„Według naszej wiedzy jest to pierwsze badanie, w którym wykorzystano podejście bayesowskie na tym poziomie szczegółowości do zbadania regionów o bardzo niskiej prędkości” – mówi Bachai – „i jest to również pierwsze, które pokazuje silne warstwy w regionie o bardzo niskiej prędkości. ” „

Patrząc wstecz na początki planety

Co to znaczy, że istnieją potencjalne warstwy?

Ponad cztery miliardy lat temu, gdy gęste żelazo zatopiło się w jądrze wczesnej Ziemi, a lżejsze metale unosiły się w płaszczu, ciało planetarne wielkości Marsa mogło zderzyć się z młodą planetą. Zderzenie mogło wyrzucić na orbitę Ziemi szczątki, z których później mógł powstać Księżyc. Podniosła również dramatycznie temperaturę Ziemi – jak można się spodziewać po zderzeniu dwóch planet.

„W rezultacie utworzyła się duża masa magmy, znana jako ocean magmy” – mówi Bachai. „Ocean” składał się ze skał, gazów i kryształów zawieszonych w magmie.

Ocean sam by się uporządkował, gdy się ochłodził, a gęstszy i warstwowy materiał opadłby na dno płaszcza.

W ciągu następnych miliardów lat, gdy płaszcz zaczął brnąć i zamieniać się w konwekcję, gęsta warstwa zostałaby zepchnięta w maleńkie łatki, wyłaniając się jako regiony warstwowe o bardzo niskiej prędkości, które widzimy dzisiaj.

„Więc początkowym i najbardziej zaskakującym odkryciem jest to, że regiony o ultraniskiej prędkości nie są jednorodne, ale mają w sobie silne niejednorodności (różnice strukturalne i składowe)”, mówi Bachai. „To odkrycie zmienia nasz pogląd na pochodzenie i dynamikę regionów o bardzo niskiej prędkości. Odkryliśmy, że ten typ regionu o bardzo niskiej prędkości można wytłumaczyć chemiczną niejednorodnością, która powstała na początku historii Ziemi i że nadal nie była dobrze zmieszane po 4,5 miliarda lat ciąży. konwekcja w płaszczu”.

Nie ostatnie słowo

Badanie dostarcza dowodów na pochodzenie niektórych regionów o bardzo niskich prędkościach, chociaż istnieją również dowody wskazujące na inne pochodzenie innych, takie jak topnienie skorupy oceanicznej, zatapiające się z powrotem w płaszczu. Ale jeśli przynajmniej niektóre regiony o ultraniskich prędkościach są pozostałościami wczesnej Ziemi, zachowują część historii planety, która w przeciwnym razie zostałaby utracona.

„Dlatego nasze odkrycie dostarcza narzędzia do zrozumienia początkowego termicznego i chemicznego stanu płaszcza Ziemi oraz jego długoterminowej ewolucji” – mówi Bachai.