Djupt inuti jorden ligger ett mystiskt lager som kallas D"-lagret. Denna zon ligger ungefär 3 000 kilometer ner och ligger precis ovanför gränsen mellan planetens smälta yttre kärna och dess solida mantel.
Till skillnad från en perfekt sfär är D"-lagret förvånansvärt fläckigt. Dess tjocklek varierar mycket från plats till plats, med vissa regioner som till och med saknar ett D"-lager helt och hållet - ungefär som kontinenter reser sig över jordens hav. Dessa spännande variationer har fångat geofysikers uppmärksamhet, som beskriver D"-skiktet som en heterogen eller olikformig region.
En ny studie ledd av Dr Qingyang Hu (Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research) och Dr Jie Deng (Princeton University) tyder på att D"-lagret kan ha sitt ursprung från jordens tidigaste dagar. Deras teori bygger på Giant Impact-hypotesen , som föreslår ett föremål i storleken Mars som slogs in i proto-jorden, vilket skapar ett planetomfattande magmahav i efterdyningarna. De tror att D"-lagret kan vara en unik sammansättning som är kvar från denna kolossala påverkan, som potentiellt innehåller ledtrådar till jordens bildning.
Artikeln är publicerad i tidskriften National Science Review .
Dr Jie Deng framhåller närvaron av en betydande mängd vatten i detta globala magmahav. Det exakta ursprunget för detta vatten är fortfarande ett ämne för debatt, med olika teorier har föreslagits, inklusive dess bildande genom reaktioner mellan nebulosagas och magman, eller direkt leverans av kometer.
"Den rådande uppfattningen", fortsätter Dr. Deng, "antyder att vattnet skulle ha koncentrerats mot botten av magmahavet när det svalnade. I slutskedet kunde magman närmast kärnan ha innehållit vattenvolymer jämförbara med jordens nuvarande dag hav."
De extrema tryck- och temperaturförhållandena i bottenmagmahavet skulle ha skapat en unik kemisk miljö, vilket främjat oväntade reaktioner mellan vatten och mineraler. Dr. Qingyang Hu förklarar, "Vår forskning tyder på att detta vattenhaltiga magmahav gynnade bildandet av en järnrik fas som kallas järn-magnesiumperoxid."
Denna peroxid, med formeln (Fe,Mg)O2 , har ännu starkare preferens för järn jämfört med andra huvudkomponenter som förväntas i den nedre manteln. "Enligt vår beräkning kunde dess affinitet till järn ha lett till ackumulering av järndominant peroxid i lager som sträcker sig från flera till tiotals kilometer tjocka", tillägger forskarna.
Närvaron av denna järnrika peroxidfas skulle förändra mineralsammansättningen av D"-lagret, vilket avviker från vår nuvarande uppfattning. Enligt den nya modellen skulle mineraler i D" domineras av en ny sammansättning:det järnfattiga silikatet, järnrik (Fe, Mg) peroxid och järnfattig (Fe, Mg) oxid.
Denna järndominanta peroxid har också låga seismiska hastigheter och hög elektrisk konduktivitet, vilket gör den till en potentiell kandidat för att förklara D"-lagrets unika geofysiska egenskaper. Dessa egenskaper inkluderar zoner med ultralåg hastighet och lager med hög konduktans, som båda bidrar till D"-lagret. skiktets välkända kompositionella heterogenitet.
"Våra fynd tyder på att järnrik peroxid, bildad från det gamla vattnet i magmahavet, har spelat en avgörande roll för att forma D"-lagrets heterogena strukturer", säger Qingyang. Denna peroxids starka affinitet för järn skapar en skarp densitetskontrast mellan dessa järnrika fläckar och den omgivande manteln.
I huvudsak fungerar det som en isolator, förhindrar dem från att blandas och potentiellt förklarar den långvariga heterogeniteten som observeras vid basen av den nedre manteln. Jie tillade, "Denna modell överensstämmer väl med de senaste numeriska modelleringsresultaten, vilket tyder på att den nedersta mantelns heterogenitet kan vara en långlivad egenskap."
Mer information: Qingyang Hu et al, jordens kärna-mantel gräns formad genom att kristallisera ett vattenbaserat landbaserat magmahav, National Science Review (2024). DOI:10.1093/nsr/nwae169
Tillhandahålls av Science China Press
