Земля образовалась из сросшейся материи, окружающей молодое Солнце. Со временем железо в этом раннем планетном материале двинулось внутрь, отделяясь от окружающего силиката. Этот процесс создал железное ядро планеты и силикатную верхнюю мантию.
Но многое в том, как происходил этот процесс дифференциации, до сих пор плохо изучено из-за технологической невозможности взять образцы из ядра Земли, чтобы увидеть, какие соединения там существуют.Сейсмические данные показывают, что помимо железа в ядре присутствуют «более легкие» элементы, но о том, какие элементы и в каких концентрациях они существуют, было много споров. Это связано с тем, что по мере того, как железо двигалось внутрь к ядру, оно взаимодействовало с различными более легкими элементами, образуя различные легированные соединения, которые затем уносились вместе с железом в глубины планеты.С какими элементами связано железо за это время, зависело бы от окружающих условий, включая давление и температуру.
В результате, работа в обратном направлении и определение соединений сплава железа, образовавшихся во время дифференциации, может рассказать ученым об условиях на ранней Земле и о геохимической эволюции планеты.Команда, в которую вошли Джинфу Шу и Юмин Сяо из Карнеги, решила исследовать этот вопрос, исследуя, как давление, имитирующее ядро Земли, повлияет на состав изотопов железа в различных сплавах железа и легких элементов. Изотопы — это разновидности элемента, в которых количество нейтронов отличается от количества протонов. (Каждый элемент содержит уникальное количество протонов.)
Из-за этой разницы в учете массы изотопов не одинаковы, что иногда может вызывать небольшие различия в том, как разные изотопы одного и того же элемента распределяются или «улавливаются» силикатом или металлическим железом. Некоторые изотопы предпочтительны для определенных реакций, что приводит к дисбалансу в пропорции каждого изотопа, включенного в конечные продукты этих реакций — процесс, который может оставлять следы изотопных сигнатур в горных породах. Это явление называется фракционированием изотопов и имеет решающее значение для исследования группы.Раньше давление не считалось критической переменной, влияющей на фракционирование изотопов.
Но исследования Шахар и ее группы показали, что для железа экстремальные условия давления действительно влияют на фракционирование изотопов.Что еще более важно, команда обнаружила, что из-за этого фракционирования под высоким давлением реакции между железом и двумя легкими элементами, которые, как считается, могут присутствовать в ядре, — водород и углерод — оставили бы изотопную сигнатуру в мантии. силикат, поскольку они вступили в реакцию с железом и погрузились в ядро. Но эта изотопная подпись не была обнаружена в образцах мантийной породы, поэтому ученые могут исключить их из списка потенциальных легких элементов в ядре.
Кислород, с другой стороны, не оставил бы изотопной подписи в мантии, поэтому он все еще остается на столе. Точно так же другие потенциальные легкие элементы ядра все еще нуждаются в исследовании, включая кремний и серу.«Что это означает?
Это означает, что мы лучше понимаем химическую и физическую историю нашей планеты», — пояснил Шахар. «Несмотря на то, что Земля является нашим домом, в ее недрах все еще так много всего, чего мы не понимаем. Но свидетельства того, что экстремальные давления влияют на разделение изотопов таким образом, что мы можем видеть следы в образцах горных пород, являются огромным шагом вперед в узнав о геохимической эволюции нашей планеты ".