Jądro Ziemi może przekazywać do płaszcza wodór uwięziony podczas powstawania naszej planety. Wskazują na to proporcje izotopów występujących w niektórych skałach wulkanicznych oraz nowe symulacje opisujące krzepnięcie dawnego oceanu magmy. Wyniki sugerują, że chemiczna granica między jądrem a płaszczem nie jest całkowicie szczelna.
Około 4,5 miliarda lat temu Ziemia była światem gwałtownych zderzeń, wysokich temperatur i rozległych obszarów stopionej skały. W trakcie jej formowania materia rozdzielała się, tworząc metaliczne jądro oraz otaczające je skalne warstwy. Część pierwotnych składników mogła zostać zamknięta głęboko we wnętrzu planety.
Czy pozostaje tam do dziś, czy stopniowo przedostaje się wyżej? Badacze z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii w Hefei przyjrzeli się temu pytaniu, analizując zachowanie izotopów wodoru. Ich praca, opublikowana w „Science Advances”, wspiera scenariusz długotrwałej wymiany substancji między jądrem a płaszczem. Nie jest to bezpośrednia obserwacja takiego przepływu, lecz wniosek wynikający z zestawienia modeli z danymi geochemicznymi.
Jądro Ziemi i zagadka chemicznych śladów w płaszczu
Głębokie wnętrze naszej planety nie jest chemicznie jednorodne. W składzie skał można znaleźć różnice, które pomagają odtwarzać historię materiału, z którego powstały.
Interpretacja tych śladów pozostaje jednak trudna. Mogą one pochodzić z bardzo dawnych obszarów płaszcza, które zachowały skład ustalony podczas krystalizacji oceanu magmy. Mogą też odzwierciedlać późniejsze procesy, w tym wymianę materii z jądrem.
To dwa różne obrazy ewolucji Ziemi. W pierwszym niektóre fragmenty jej wnętrza działają jak niemal niezmienione archiwa początków planety. W drugim zapis ten był przez miliardy lat modyfikowany przez przemieszczanie się i mieszanie substancji.
Nowe badanie sprawdzało, czy samo krzepnięcie pierwotnego oceanu magmy wystarczyłoby do wytworzenia obserwowanych różnic w proporcjach izotopów wodoru.
Dlaczego naukowcy porównują wodór z deuterem?
Zwykły wodór i deuter są izotopami tego samego pierwiastka. Deuter ma jednak dodatkowy neutron, przez co jest cięższy. Ta różnica wpływa na ich zachowanie w procesach fizycznych i chemicznych.
Badacze mierzą stosunek deuteru do lekkiego wodoru, oznaczany jako D/H. Proporcja ta pomaga ustalić pochodzenie materiału oraz procesy, którym był poddawany.
Jeżeli do określonego obszaru płaszcza trafia wodór szczególnie ubogi w deuter, wartość D/H spada. Właśnie takie nietypowo niskie proporcje obserwuje się w części bazaltów wysp oceanicznych.
Pytanie brzmi: czy są one pozostałością po narodzinach płaszcza, czy śladem późniejszego dopływu lekkiego wodoru z głębszego rezerwuaru?
Symulacje uwzględniły kwantowe zachowanie atomów
Zespół wykorzystał symulacje oparte na metodzie całek po trajektoriach, przyspieszane dzięki uczeniu maszynowemu. Pozwoliło to uwzględnić efekty kwantowe istotne dla tak lekkiego pierwiastka jak wodór.
Naukowcy analizowali rozdzielanie izotopów między stopioną skałę a powstające minerały. Następnie włączyli wyniki do modelu krystalizacji oceanu magmy.
Obliczenia wskazały, że proces ten zbyt słabo różnicuje izotopy, aby wytworzyć obszary o skrajnie niskim D/H. Pierwotny płaszcz powinien więc mieć zasadniczo wyrównane proporcje izotopów wodoru, mimo różnic ciśnienia, temperatury i przyjętych wariantów modelu.
Największe znaczenie miał początkowy skład izotopowy wodoru w oceanie magmy. Zmiany innych założeń, w tym początkowej ilości wody, miały znacznie mniejszy wpływ na rezultat.
W rozpatrywanych wariantach uwzględniano zawartość wody odpowiadającą nawet dwóm masom współczesnych oceanów. Jest to parametr modelowania dawnej Ziemi, a nie informacja o odkryciu takiej ilości ciekłej wody pod powierzchnią.
Skały wulkaniczne mogą przynosić sygnały z głębi Ziemi
Ważnych wskazówek dostarczają bazalty wysp oceanicznych, określane skrótem OIB. Materiał uczestniczący w ich powstawaniu może pochodzić z głębokich obszarów płaszcza i docierać wyżej wraz z pióropuszami płaszczowymi — wznoszącymi się strumieniami gorącej materii skalnej.
W materiale źródłowym wskazano między innymi lawy z Wyspy Baffina w kanadyjskim Nunavut oraz z Islandii. Ich skład pozwala badać procesy zachodzące znacznie głębiej niż miejsca, w których skały te pojawiły się na powierzchni.
Jeżeli krystalizacja oceanu magmy nie tłumaczy wyjątkowo niskiego D/H, potrzebne jest inne wyjaśnienie. Według autorów bardziej prawdopodobny staje się dopływ pierwotnego, lekkiego wodoru z jądra do płaszcza.
Taki scenariusz zmieniałby sposób odczytywania geochemicznych „kapsuł czasu”. Niektóre sygnatury uznawane za zachowane od narodzin planety mogłyby być efektem późniejszej wymiany między jej warstwami.
Hel i wolfram uzupełniają obraz
Wodór nie jest jedynym pierwiastkiem wykorzystywanym do badania kontaktów między jądrem a płaszczem. Dodatkowych informacji dostarczają izotopy helu i wolframu.
Hel-3 jest izotopem pierwotnym, związanym z materiałem obecnym podczas formowania Układu Słonecznego. Hel-4 powstaje natomiast również w wyniku rozpadu promieniotwórczego we wnętrzu Ziemi. Wysoki stosunek helu-3 do helu-4 w niektórych skałach wskazuje na udział pierwotnego rezerwuaru.
Sam taki wynik nie rozstrzyga jeszcze, gdzie ten rezerwuar się znajduje. Zestawiony z nietypowym składem izotopowym wodoru wspiera jednak interpretację uwzględniającą wpływ jądra.
Kolejną wskazówką są anomalie izotopowe wolframu. Pierwiastek ten podczas formowania planety w dużej części trafiał do metalicznego jądra. Jego sygnatury w skałach pochodzących z głębokiego płaszcza pomagają więc badać możliwy udział materii związanej z tym rezerwuarem. Związki między anomaliami wodoru, helu i wolframu analizowano również we wcześniejszych badaniach law z Wyspy Baffina.
Wodór z jądra a woda związana w minerałach
Określenie „wyciek z jądra Ziemi” opisuje w tym przypadku proces geochemiczny. Chodzi o przemieszczanie się składników przez granicę oddzielającą metaliczne jądro od skalnego płaszcza.
Wodór, który przedostaje się do wyższych warstw, może uczestniczyć w powstawaniu wody związanej w minerałach. Jej obecność nie oznacza podziemnego morza. Składniki wody mogą być wbudowane w strukturę minerałów.
Wyniki badania wskazują zatem na możliwe powiązanie jądra z obiegiem wodoru i wody we wnętrzu planety. Nie pozwalają jednak traktować każdej nietypowej sygnatury izotopowej jako jednoznacznego dowodu pochodzenia z jądra.
Najważniejszy wniosek dotyczy historii głębokiego płaszcza. Jego dzisiejszy skład może być nie tylko pozostałością po krzepnięciu młodej Ziemi, lecz także zapisem wymiany chemicznej zachodzącej przez znaczną część dziejów planety.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Science Advances .