Diamantstädets cell återskapade förhållandena från den tidiga jorden då materialet som är analogt med kärnan - den inre streckade linjen - separeras från materialet som är analogt med magmahavet i manteln - den yttre streckade linjen. Skalstapeln i den vänstra panelen är 10 mikron. Kredit:Colin Jackson.
Plymer av heta stenar som väller uppåt från jordens mantel vid vulkaniska hotspots innehåller bevis på att jordens uppväxtår kan ha varit ännu mer kaotiska än man tidigare trott, enligt nytt arbete från ett team av Carnegie och Smithsonian forskare publicerat i Natur .
Det är väl förstått att jorden bildades från ansamlingen av materia som omger den unga solen. Så småningom växte planeten till en sådan storlek att tätare järnmetall sjönk inåt, att bilda början av jordens kärna, lämnar den silikatrika manteln svävande ovanför.
Men nytt arbete från ett team ledd av Carnegies Yingwei Fei och Carnegie och Smithsonians Colin Jackson hävdar att denna mantel- och kärnseparation inte var en så välordnad process.
"Våra fynd tyder på att när kärnan extraherades från manteln, manteln blandas aldrig helt, "Jackson förklarade." Detta är förvånande eftersom kärnbildning skedde i den omedelbara kölvattnet av stora effekter från andra tidiga solsystemobjekt som jorden upplevde under sin tillväxt, liknande den gigantiska nedslagshändelsen som senare bildade månen. Före nu, det ansågs allmänt att dessa mycket energiska effekter skulle ha rört om manteln fullständigt, blanda alla dess komponenter till ett enhetligt tillstånd."
Den rykande pistolen som ledde laget till deras hypotes kommer från unika och uråldriga isotopiska signaturer av volfram och xenon som hittats vid vulkaniska hotspots, som Hawaii. Även om man trodde att dessa plymer härstammade från mantelns djupaste regioner, ursprunget till dessa unika isotopsignaturer har diskuterats. Teamet tror att svaret ligger i det kemiska beteendet hos jod, moderelementet till xenon, vid mycket högt tryck.
Jorden upplevde flera stora nedslag; högtrycks- och temperaturförhållandena orsakade fickor av kärna och manteluppdelning som kvarstår som kemiskt distinkta idag. Upphovsman:Neil Bennett
Isotoper är versioner av element med samma antal protoner, men olika antal neutroner. Radioaktiv isotop av grundämnen, såsom jod-129, är instabila. För att få stabilitet, jod-129 sönderfaller till xenon-129. Därför, xenon isotopsignaturerna i plymmantelprover är direkt relaterade till jodens beteende under perioden av kärna-mantelseparation.
Använda diamantstädceller för att återskapa de extrema förhållanden under vilka jordens kärna separerade från dess mantel, Jackson, Fei, och deras kollegor – Carnegies Neil Bennett och Zhixue Du och Smithsonians Elizabeth Cottrell – bestämde hur jod fördelade sig mellan metallisk kärna och silikatmantel. De visade också att om den begynnande kärnan separerade från de djupaste områdena av manteln medan den fortfarande växte, då skulle dessa fickor i manteln ha den kemi som behövs för att förklara de unika isotopsignaturerna för volfram och xenon, förutsatt att dessa fickor förblev oförblandade med resten av manteln ända upp i dag.
Enligt Bennett:"Nyckelbeteendet vi identifierade var att jod börjar lösas upp i kärnan under mycket höga tryck och temperaturer. Vid dessa extrema förhållanden, jod och hafnium, som sönderfaller radioaktivt till xenon och volfram, visa motsatta preferenser för kärnbildande metall. Detta beteende skulle leda till samma unika isotopiska signaturer som nu är associerade med hotspots."
Beräkningar från teamet förutspår också att volfram och xenon isotopsignaturer bör associeras med täta fickor i manteln.
"Som chokladchips i kaksmet, dessa täta fickor på manteln skulle vara mycket svåra att röra in igen, och detta kan vara en avgörande aspekt för att behålla deras uråldriga volfram- och xenonisotopiska signaturer till nutid, " förklarade Jackson.
"Ännu mer spännande är att det finns allt fler geofysiska bevis för att det faktiskt finns täta områden med mantel, vilar precis ovanför kärnan – kallade ultralåghastighetszoner och stora provinser med låg skjuvhastighet. Detta arbete binder samman dessa observationer, "Fei tillade. "Den metod som utvecklats här öppnar också nya möjligheter för att direkt studera de djupa jordprocesserna."
