Новая методика, разработанная сотрудниками Карнеги Ингвей Фей и Лин Ванг, позволяет по-новому взглянуть на процесс, в результате которого материалы, сформировавшие ядро Земли, опустились в глубины нашей планеты, оставив после себя геохимические следы, которые долгое время оставались загадкой для ученых. Их работа опубликована в журнале Science Advances.

Земля образовалась из диска пыли и газа, который окружал наше Солнце в период его молодости. Со временем, когда Земля выросла из более мелких объектов, самый плотный материал опустился внутрь, разделив планету на отдельные слои, включая богатое железом металлическое ядро и силикатную мантию.

"Разделение ядра и мантии - самое важное событие в геологической истории Земли", - объясняет Фей. "Конвекция во внешнем ядре питает магнитное поле Земли, защищая нас от космических лучей. Без этого жизнь, какой мы ее знаем, не могла бы существовать".

Каждый из слоев нашей планеты имеет свой собственный состав. Хотя ядро состоит преимущественно из железа, сейсмические данные показывают, что некоторые легкие элементы, такие как кислород, сера, кремний и углерод, были растворены в нем и принесены с собой в центр планеты. Аналогичным образом, мантия состоит преимущественно из силикатов, но концентрация в ней так называемых "железолюбивых", или сидерофильных, элементов не давала покоя ученым на протяжении десятилетий.

"Понимание механизмов, с помощью которых материалы мигрировали через эти слои, и выявление любых остатков этого процесса улучшит наши знания о различных способах взаимодействия ядра и мантии Земли на протяжении всей ее истории", - добавил Ванг.

В лаборатории ученые Карнеги используют тяжелые гидравлические прессы, подобные тем, которые применяются для изготовления синтетических алмазов, чтобы довести образцы материала до высокого давления, имитирующего условия, существующие в недрах Земли. Это позволяет им воссоздать процесс дифференциации Земли в миниатюре и исследовать различные возможные пути формирования ядра.

Используя эти инструменты, Ванг и Фей разработали новый метод отслеживания движения жидкого металла, формирующего ядро, в их образце по мере его миграции внутрь. Они показали, что подобно тому, как вода процеживается через кофейную гущу, в динамических условиях, существовавших на ранней Земле, расплавы железа могли проходить через трещины между слоями твердых силикатных кристаллов, называемых границами зерен, и обмениваться химическими элементами.

Ванг и Фей предполагают, что агрессивная среда ранней Земли могла создать обстоятельства, которые превратили бы мантию в гигантский кофейный аппарат, позволяющий просачиваться жидкому металлу через взаимосвязанную сеть. Они проанализировали химические обмены во время этого процесса перколяции. Их результаты объясняют, почему в мантии остаются элементы, любящие железо, и проливают свет на давний вопрос геохимии.

Забегая вперед, Ванг и Фей считают, что их новая методика применима для изучения других каменистых планет и может помочь ответить на большее количество вопросов о взаимодействии ядра и мантии, происходящем глубоко в их недрах.