Ny forskning om syre- och järnkemi under de extrema förhållanden som finns djupt inne i jorden kan förklara ett långvarigt seismiskt mysterium som kallas ultralåghastighetszoner. Publicerad i Natur , fynden kan få långtgående konsekvenser för vår förståelse av jordens geologiska historia, inklusive livsförändrande händelser såsom Great Oxygenation Event, som inträffade för 2,4 miljarder år sedan.

Sitter vid gränsen mellan den nedre manteln och kärnan, 1, 800 miles under jordens yta, ultralåghastighetszoner (UVZ) är kända för forskare på grund av deras ovanliga seismiska signaturer. Även om denna region är alldeles för djup för att forskare någonsin ska kunna observera det direkt, instrument som kan mäta utbredningen av seismiska vågor orsakade av jordbävningar tillåter dem att visualisera förändringar i jordens inre struktur; liknande hur ultraljudsmätningar låter läkare se inuti våra kroppar.

Dessa seismiska mätningar gjorde det möjligt för forskare att visualisera dessa ultralåga hastighetszoner i vissa regioner längs gränsen mellan kärnan och manteln, genom att observera avmattningen av seismiska vågor som passerar genom dem. Men att veta att UVZ existerar förklarade inte vad som orsakade dem.

Dock, nya fynd om järn- och syrekemi under djupa jordförhållanden ger ett svar på detta långvariga mysterium.

Det visar sig att vatten som finns i vissa mineraler som dras ner i jorden på grund av plattektonisk aktivitet kan, under extrema tryck och temperaturer, delas upp – frigör väte och gör det möjligt för kvarvarande syre att kombineras med järnmetall från kärnan för att skapa ett nytt högtrycksmineral, järnperoxid.

Leds av Carnegies Ho-kwang "Dave" Mao, forskargruppen tror att så mycket som 300 miljoner ton vatten kan föras ner i jordens inre varje år och generera djupa, massiva reservoarer av järndioxid, som kan vara källan till zonerna med ultralåg hastighet som bromsar seismiska vågor vid gränsen mellan kärnan och manteln.

För att testa denna idé, teamet använde sofistikerade verktyg vid Argonne National Laboratory för att undersöka fortplantningen av seismiska vågor genom prover av järnperoxid som skapades under djupa jordliknande tryck och temperaturförhållanden med hjälp av en laseruppvärmd diamantmothållscell. De fann att en blandning av normal mantelsten med 40 till 50 procent järnperoxid hade samma seismiska signatur som de gåtfulla zonerna med ultralåg hastighet.

För forskargruppen, en av de mest spännande aspekterna av detta fynd är potentialen hos en syrereservoar djupt inne i planetens inre, som om den periodvis släpps ut till jordens yta avsevärt kan förändra jordens tidiga atmosfär, potentiellt förklarar den dramatiska ökningen av atmosfäriskt syre som inträffade för cirka 2,4 miljarder år sedan enligt geologiska uppgifter.

"Att hitta existensen av en gigantisk intern syrereservoar har många långtgående konsekvenser, Mao förklarade. "Nu bör vi ompröva konsekvenserna av sporadiska syreutbrott och deras samband med andra stora händelser i jordens historia, såsom formationen med bandjärn, snöboll jorden, massutrotningar, översvämningsbasalter, och superkontinentsprickor."