Cum au dezvăluit oamenii de știință secretele apelor adânci ale Pământului

Un studiu revoluționar dezvăluie că apa de suprafață a Pământului ajunge la miez, schimbându-și compoziția și sugerând o interacțiune mai dinamică între nucleu și manta și un ciclu global al apei complex.

Cu câteva decenii în urmă, seismologii care au imaginat planeta adâncă au identificat un strat subțire de puțin peste câteva sute de kilometri grosime. Originea acestui strat, cunoscut sub numele de stratul primar E, a fost până acum un mister.

O echipă internațională de cercetători, inclusiv oamenii de știință de la Arizona State University Dan Shim, Taehyun Kim și Joseph O’Rourke de la Colegiul de Explorare a Pământului și Spațiului, a dezvăluit că apa de la suprafața Pământului poate pătrunde adânc în planetă, modificând compoziția planetei. Regiunea exterioară a metalului lichid se nucleează și formează un strat subțire caracteristic.

Cercetarea lor a fost publicată pe 13 noiembrie în jurnal Științe ale Pământului Natural.

Proces de transport în apă adâncă

Cercetările indică faptul că, de-a lungul a miliarde de ani, apa de suprafață a fost transportată adânc în Pământ prin subducția sau subducția plăcilor tectonice. Ajungând la limita dintre nucleu și manta, la aproximativ 1.800 de mile sub suprafață, această apă declanșează o reacție chimică profundă, schimbând structura nucleului.

Ilustrație a interiorului Pământului care dezvăluie apa în subducție și o coloană de magmă în creștere. La interfața în care apa încorporată se întâlnește cu miezul, are loc un schimb chimic pentru a forma un strat bogat în hidrogen în miezul exterior superior și silice densă în partea de jos a mantalei. Credit: Universitatea Yonsei

Reacții chimice la limita miez-manta

Alături de Young Jae Lee de la Universitatea Yonsei În Coreea de Sud, Shim și echipa sa au demonstrat prin experimente de înaltă presiune că apa scufundată reacționează chimic cu materialele de bază. Această reacție formează un strat bogat în hidrogen, sărăcit în siliciu, schimbând regiunea superioară exterioară a miezului într-o structură asemănătoare filmului. În plus, reacția generează cristale de silice care se ridică și fuzionează în manta. Acest strat de mineral lichid modificat este de așteptat să fie mai puțin dens, cu viteze seismice mai mici, în concordanță cu caracteristicile anormale cartografiate de seismologi.

Interacțiunea miez-manta și efecte globale

„Timp de mulți ani, schimbul fizic dintre nucleul Pământului și mantaua sa a fost considerat a fi mic. Cu toate acestea, experimentele noastre recente de înaltă presiune dezvăluie o poveste diferită. „Am descoperit că atunci când apa ajunge la limita dintre nucleu și manta, interacționează cu siliciul din miez”, a spus Shim, formând silice.” „Această descoperire, împreună cu observația noastră anterioară a diamantelor care se formează din reacția apei cu carbonul în fier lichid sub presiune extremă, indică o interacțiune mult mai dinamică. între miez și manta, indicând un schimb fizic semnificativ.”

Această descoperire avansează înțelegerea noastră a proceselor interne ale Pământului, sugerând un ciclu global al apei mai extins decât se recunoaște anterior. „Stratul” în schimbare al miezului are implicații profunde pentru ciclurile geochimice care leagă ciclul apei de suprafață de miezul mineral profund.

Referință: „Un strat bogat în hidrogen din miezul exterior superior provine din apă adânc scufundată” de Taehyun Kim, Joseph J. O’Rourke, Jeongmin Lee, Stella Chariton, Vitaly Prakapinka, Rachel J. Husband, Nico Giordano, Hans-Peter Lerman, Sang-Hyun Shim și Youngjae Lee, 13 noiembrie 2023, Științe ale Pământului Natural.
DOI: 10.1038/s41561-023-01324-x

Studiul a fost realizat de o echipă internațională de geoștiință care a folosit tehnici experimentale avansate la Advanced Photon Source de la Laboratorul Național Argonne și PETRA III de la Deutsches Elektronen-Synchrotron din Germania pentru a reproduce condițiile extreme de la limita nucleu-manta.

Membrii echipei și rolurile lor cheie de la ASU sunt Kim, care a început acest proiect ca student doctorand vizitator și este acum cercetător postdoctoral la Școala de Explorare a Pământului și Spațiului; Wasim, profesor la Scoala de Explorare a Pământului și Spațiului, care a condus lucrările experimentale de înaltă presiune; O’Rourke, profesor asistent la Scoala de Explorare a Pământului și Spațiului, a efectuat simulări computaționale pentru a înțelege formarea și continuitatea stratului subțire în schimbare din nucleu. Lee a condus echipa de cercetare de la Universitatea Yonsei, împreună cu oamenii de știință principali Vitaly Prakapinka și Stella Chariton de la Advanced Photon Source și Rachel Zug, Nico Giordano și Hans-Peter Lerman de la Deutsches Elektronen-Synchrotron.

Această lucrare a fost susținută de Programul NSF pentru Științe Pământului.