Глубоко под поверхностью Земли лежит толстый скальный слой, называемый мантией, который составляет большую часть объема нашей планеты. В то время как мантия Земли слишком глубока, чтобы люди могли непосредственно наблюдать за ней, некоторые метеориты могут дать ключ к этому недоступному слою.
В исследовании, недавно опубликованном в журнале Science Advances, международная группа ученых, в том числе Санг-Хон Дан Шим и Томас Шарп из Университета штата Аризона, завершили комплексный анализ "потрясающего метеорита" (метеорита, испытавшего на себе высокое давление и высокую температуру в результате столкновения) и получили новое представление о нижней мантии Земли.
Сюйчжоу: ударный метеорит.
Ударные метеориты дали много примеров глубоких мантийных минералов с 1969 года, когда был открыт минерал высокого давления Рингвудит.
Для этого исследования ведущий автор Лука Бинди из Флорентийского университета (Италия), Шим и Шарп из Школы исследования Земли и космоса АГУ и Сянде Се из Гуанчжоуского института геохимии (Китай) сосредоточили свои усилия на образце ударного метеорита под названием "Сюйчжоу".
"Сюйчжоу был идеальным метеоритом для нашей команды", - сказал Шим, который специализируется на использовании экспериментов под высоким давлением для изучения земной мантии. "Он снабжал нашу команду пробами природных минералов высокого давления, подобных тем, которые, как полагают, составляют глубинную мантию Земли".
Суйчжоу упал в 1986 году в провинции Хубэй в Китае. Сразу после падения этого метеорита группе ученых удалось найти и собрать образцы.
"Это было наблюдаемое падение", - сказал Шарп, который специализируется на изучении ударных метеоритов, чтобы разобраться в толчках и столкновениях в Солнечной системе. "Поэтому он не пострадал от химического выветривания на Земле, и поэтому нет никаких изменений в железе".
Бриджманит: Доминирующий материал в нижней мантии.
Образец метеорита Suizhou, использованный в этом исследовании, содержит специфический силикат, называемый "бриджманит". Этот силикат считается доминирующим материалом в нижней мантии Земли и составляет около 38 объемных процентов нашей планеты. Впервые он был обнаружен в ударном метеорите Тенхэм в 2014 году.
Если раньше считалось, что металл железа в основном существует в ядре Земли, то около 15 лет назад ученые обнаружили в лаборатории, что железо в бриджманите может подвергаться самоокислению, из которого он может вырабатывать металлическое железо.
Этот процесс, химическая реакция, называемая "диспропорционированием зарядов", заключается в том, что атомы перераспределяют электроны между собой и образуют две или три катионные формы с различными состояниями окисления (в этом случае некоторые ионы Fe(II) в бриджманите превращаются в Fe(III) и Fe(0), последний из которых образует металлическое железо).
Однако остается вопрос, может ли этот процесс действительно иметь место в природе.
С помощью электронного микроскопа высокого разрешения и спектроскопии исследователи смогли провести комплексные анализы образца метеорита "Сюйчжоу" в нанометрическом масштабе.
В результате этих анализов группа исследователей обнаружила металлические наночастицы железа, сосуществующие с бриджманитом в образце ударного метеорита, что стало первым прямым доказательством природы реакции диспропорционирования железа, которая до сих пор наблюдалась только в экспериментах под высоким давлением.
"Это открытие демонстрирует, что диспропорционирование зарядов может происходить в природных средах высокого давления и, следовательно, в глубоких недрах Земли", - сказал Шим.
Однако последствия этого исследования выходят за рамки только этого открытия и, в конечном счете, могут помочь нам разобраться в более широком вопросе о том, как сама Земля была окислена.
Хотя мы знаем, что верхняя мантия Земли окисляется больше, чем на других планетах, и что большие окислительные процессы верхней мантии могут быть связаны с внезапным повышением содержания кислорода в атмосфере 2.5 миллиарда лет назад, но мы пока не знаем, каким образом верхняя мантия Земли стала более окисляющей.
"Не исключено, что при конвекции материалов нижней мантии в верхнюю мантию будет происходить потеря металлического железа, а окисленное железо в бриджманите вызовет больше окислительных условий в верхней мантии", - сказал Шим.
"Наше открытие дает возможное объяснение большенству окислительных условий в верхней мантии Земли и поддерживает идею о том, что глубокие внутренние процессы, возможно, внесли свой вклад в большенство событий оксигенации на поверхности".