Jak vědci odhalili tajemství hlubokých vod Země

Průkopnická studie odhaluje, že povrchová voda Země dosahuje jádra, mění své složení a naznačuje dynamičtější interakci mezi jádrem a pláštěm a komplexní globální vodní cyklus.

Před několika desetiletími seismologové, kteří snímali hlubokou planetu, identifikovali tenkou vrstvu o tloušťce něco málo přes několik set kilometrů. Původ této vrstvy, známé jako primární vrstva E, byl až dosud záhadou.

Mezinárodní tým výzkumníků, včetně vědců z Arizonské státní univerzity Dana Shima, Taehyuna Kima a Josepha O’Rourkeho z College of Earth and Space Exploration, odhalil, že voda ze zemského povrchu může proniknout hluboko do planety a změnit tak složení planety. Vnější oblast tekutého kovu nukleuje a tvoří charakteristickou tenkou vrstvu.

Jejich výzkum byl publikován 13. listopadu v časopise Přírodní vědy o Zemi.

Proces přepravy hluboké vody

Výzkum ukazuje, že v průběhu miliard let byla povrchová voda transportována hluboko do Země subdukcí nebo subdukcí tektonických desek. Když tato voda dosáhne hranice mezi jádrem a pláštěm, asi 1800 mil pod povrchem, spustí hlubokou chemickou reakci, která změní strukturu jádra.

Chemické reakce na rozhraní jádro-plášť

Spolu s Young Jae Lee z Univerzita Yonsei V Jižní Koreji Shim a jeho tým pomocí vysokotlakých experimentů prokázali, že ponořená voda chemicky reaguje se základními materiály. Tato reakce vytváří na vodík bohatou vrstvu ochuzenou o křemík, měnící horní oblast vnějšího jádra na strukturu podobnou filmu. Kromě toho reakce vytváří krystaly oxidu křemičitého, které stoupají a spojují se s pláštěm. Očekává se, že tato modifikovaná tekutá minerální vrstva bude méně hustá, s nižšími seismickými rychlostmi, což je v souladu s anomálními charakteristikami zmapovanými seismology.

Interakce jádra a pláště a globální efekty

„Po mnoho let byla fyzická výměna mezi zemským jádrem a jejím pláštěm považována za malou. Naše nedávné vysokotlaké experimenty však odhalují jiný příběh. „Zjistili jsme, že když voda dosáhne hranice mezi jádrem a pláštěm, interaguje s křemíkem v jádře,“ řekl Shim a tvoří oxid křemičitý.“ „Tento objev spolu s naším předchozím pozorováním diamantů vznikajících reakcí vody s uhlíkem v tekutém železe pod extrémním tlakem ukazuje na mnohem dynamičtější interakci. mezi jádrem a pláštěm, což ukazuje na významnou fyzickou výměnu.

Tento objev posouvá naše chápání vnitřních procesů na Zemi, což naznačuje rozsáhlejší globální vodní cyklus, než bylo dříve známo. Měnící se „vrstva“ jádra má hluboké důsledky pro geochemické cykly spojující koloběh povrchové vody s hlubokým minerálním jádrem.

Odkaz: „Vrstva bohatá na vodík v horním vnějším jádru pochází z hluboce ponořené vody“ od Taehyuna Kima, Josepha J. O’Rourkeho, Jeongmin Lee, Stella Chariton, Vitaly Prakapinky, Rachel J. Husband, Nico Giordano, Hans-Peter Lerman, Sang-Hyun Shim a Youngjae Lee, 13. listopadu 2023, Přírodní vědy o Zemi.
doi: 10.1038/s41561-023-01324-x

Studii provedl mezinárodní tým geovědců za použití pokročilých experimentálních technik v Advanced Photon Source v Argonne National Laboratory a PETRA III z Deutsches Elektronen-Synchrotron v Německu, aby se replikovaly extrémní podmínky na hranici jádra a pláště.

Členové týmu a jejich klíčové role z ASU jsou Kim, který tento projekt zahájil jako hostující doktorand a nyní je postdoktorským výzkumníkem ve Škole průzkumu Země a vesmíru; Wasim, profesor na School of Earth and Space Exploration, který vedl vysokotlaké experimentální práce; O’Rourke, odborný asistent na School of Earth and Space Exploration, provedl výpočetní simulace, aby porozuměl formování a kontinuitě měnící se tenké vrstvy v jádře. Lee vedl výzkumný tým z Yonsei University spolu s hlavními vědeckými pracovníky Vitaly Prakapinkou a Stellou Chariton z Advanced Photon Source a Rachel Zug, Nico Giordano a Hans-Peter Lerman z Deutsches Elektronen-Synchrotron.

Tato práce byla podpořena programem NSF Earth Sciences Program.