Rentgenski vid razkriva strukturo prvotnega magmatskega oceana

Raziskovalci magmo prvič preučujejo v pogojih globokega plašča

Bazaltni vzorec na diamantnem žigu po preiskavi. © Chrystèle Sanloup / Univerza v Edinburghu
prebral

Pogoji v zemlji: mednarodna raziskovalna skupina je eksperimentalno ustvarila ogromen pritisk in temperaturo staljene kamnine v spodnjem plašču. Znanstveniki so tako lahko raziskali vedenje magme pod takšnimi pogoji, kot poročajo v reviji Nature. Prišli so tudi korak bližje reševanju stare uganke o mladi zemlji. Torej bi lahko naš planet imel v lasti celo dva prekrivana magmanska oceana.

Mlada zemlja staljenega kamenja

Težko si je predstavljati, da je trdna zemeljska skorja pod našimi nogami le gossamer v primerjavi z osnovno Zemljino notranjostjo. Kmalu po nastanku našega planeta, pred približno 4, 5 milijarde let, skorja še ni obstajala. Zemljo je namesto njih prekrival ocean staljene kamnine, magma. Šele postopoma se je površina zmrznila do zemeljske skorje, magma pod njo danes tvori zemeljski plašč.

Doslednost plašča nima več veliko skupnega s tekočimi kamninami, prvotni magmski oceani so zdaj skoraj popolnoma kristalizirani. Vendar pa je magma zaradi ogromnega tlaka in še vedno visoke temperature žilava in previdna: plošče zemeljske skorje plavajo po plašču. Poleg tega staljena magma še vedno obstaja v plašču v lokalnih žepih in po možnosti v tankih plasteh. Med izbruhi vulkanov ta staljena skala nastaja kot lava na površini.

Shematski presek skozi današnjo zemljo. Tlak 60 gigapaskalov, kot je bil uporabljen pri meritvah največ, prevladuje približno na sredini spodnjega plašča, v globini približno 1400 kilometrov. © DESY

Ključna vloga pri razvoju notranje zemlje

Kamnine prevladujejo silikati, spojine silicija in kisika. Ti elementi so najpogostejši v plašču in skorji. "Silikatne tekočine, kot je bazaltna magma, igrajo ključno vlogo v vseh fazah razvoja notranje zemlje, od nastanka skorje in jeder pred milijardami let do vulkanske aktivnosti danes, " pravi Chryst le Sanloup iz univerza v Edinburghu.

Globoke notranjosti zemlje pa je tako daleč nemogoče neposredno opazovati. Vendar so raziskovalci iz Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY) v Hamurgu in univerzah v Edinburghu, Amsterdamu, Frankfurtu na Majni in Parizu uspeli znova ustvariti pogoje v globoki plašč v poskusu. Lahko so raziskali lastnosti in obnašanje staljene magme. zaslon

Simulacija plašča z laserjem in diamantom

"Toda za raziskovanje bazaltne magme, kot to počne danes v zemeljskem plašču v lokalnih žepih, smo najprej morali stopiti vzorec, " pravi Zuzana Kon pkov iz podjetja DESY. V ta namen so znanstveniki uporabili dva infrardeča laserja in diamantno celico. Znotraj celice so z osredotočeno infrardečo svetlobo izstrelili droben vzorec bazalta, ki ga je v nekaj sekundah segrel do 3.000 stopinj Celzija. Hkrati so stisnili vzorec z diamantnim žigom do 60 gigapaskalov, kar ustreza 600.000-kratnikom normalnemu atmosferskemu tlaku.

Staljeni vzorec je skozi moštvo zasijal z močnim, usmerjenim rentgenskim žarkom. Znotraj vzorca se rentgenski odsek odseva in različno razhaja. Zapisani difrakcijski vzorci nato omogočajo sklepe o kristalni strukturi v talini. Raziskovalni svetlobni vir PETRA III, ki se uporablja v podjetju DESY, velja za najmočnejši vir rentgenskih žarkov na svetu. Šele ko je ogromna svetlost rentgenskega vira tega vira omogočila tovrstni poskus taljenja: "Prvič smo lahko preučili strukturne spremembe staljene magme v tako širokem tlačnem območju, " poudarja Kon pkov,

Tekoči bazalt je stisnjen

Intenzivni rentgen kaže, da se spreminja tako imenovano koordinacijsko število silicija, najpogostejšega kemičnega elementa magme. Pri nizkem tlaku je vsak silicijev ion obdan s štirimi kisikovimi ioni. Pod visokim pritiskom se ta številka poveča na šest kisikovih sosedov. Tekoči bazalt je močno stisnjen, njegova gostota se pri 60 gigapaskalah dvigne od približno 2, 7 grama na kubični centimeter pri nizkem tlaku do nekaj manj kot 5 gramov na kubični centimeter.

"Pomembno vprašanje je bilo, kako poteka ta sprememba koordinacijske številke v talini in kako to vpliva na fizikalne in kemijske lastnosti, " pravi Sanloup. Tekoča se magma v tem vedenju očitno močno razlikuje od trdnega silikata: pri magmi se koordinacijsko število postopoma spreminja v območju med 10 in 35 gigapaskali. V trdnem silikatu pa se koordinacijsko število naglo poveča na približno 25 gigapaskalov. Nastala nenadna razlika v gostoti označuje tudi mejo med zgornjim in spodnjim plaščem.

Magma oceani v plasteh razlagajo počasno hlajenje

Ti rezultati podpirajo teorijo o tem, da je v mladih plasteh morda obstajalo več magmatskih oceanov. "Pod nizkim pritiskom se magme veliko lažje stisnejo kot njihovi kristalni sorodniki, medtem ko so skoraj enako trdne nad 35 gigapaskalov, " pravi Sanloup. Pod visokim pritiskom spodnje prevleke gostota magme ustrezno narašča, dokler se končno skala več ne potopi, ampak plava na tej plasti. Na ta način bi se lahko v mladi zemlji oblikoval kristalni mejni sloj med spodnjim in zgornjim magmatskim oceanom.

Takšno plastenje več magmatskih oceanov bi lahko razložilo tudi nekaj neskladnosti o tem, kako dolgo je trajalo hlajenje mlade zemlje. Geohrološke ocene kažejo, da je moralo magno-oceansko dobo trajati več deset milijonov let. Po drugi strani bi se po izračunih modelov en sam magmatski ocean ohladil veliko hitreje, v samo približno milijon letih. Kristalna plast med dvema takima oceanoma bi prav tako delovala kot toplotna izolacija in bi lahko v skladu s tem omejila hlajenje. Še vedno seizmološko odkriti žepi s staljenim kamenjem nad zemeljskim jedrom bi lahko bili ostanki globokega magmanskega oceana.

(Narava, 2013; doi: 10.1038 / narava12668)

(DESY, 07.11.2013 - AKR)