|
Разгадка тайны Земли возрастом в 4,5 млрд лет
|
|
|
|
Ученые-геологи уже давно используют различные формы свинца для понимания геологической истории Земли и того, как она формировалась на протяжении миллиардов лет. Однако есть тайна, которая десятилетиями озадачивает ученых: на Земле отсутствует огромное количество свинца, которое должно было бы содержаться в земной коре, и никто не знает, куда он делся.
|
|
|
|
Недавно новаторское исследование, проведенное учеными под руководством Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) Азиатская школа окружающей среды (ASE), возможно, наконец-то позволило по-новому взглянуть на эту давнюю тайну.
|
|
|
|
Изучая, как свинец ведет себя под сокрушительным давлением в недрах Земли, они обнаружили, что разгадка одного из древнейших химических секретов нашей планеты на самом деле может скрываться у нас под ногами, в слое мантии планеты. Их исследование было опубликовано в Nature Communications.
|
|
Парадокс пропавшего свинца
|
|
|
|
Свинец и его различные формы, которые в совокупности называются изотопами свинца, являются наиболее полезными инструментами, позволяющими получить ответы на вопросы о геологической истории Земли и процессах ее формирования. Они помогают определить возраст горных пород, а также могут помочь отследить перемещение материалов между земной корой, мантией и ядром.
|
|
|
|
|
|
|
Свинец имеет четыре формы, три из которых — свинец-206, свинец-207 и свинец-208 — являются радиогенными, что означает, что они образуются в результате радиоактивного распада урана или тория. Этот распад приводит к тому, что атомы этих элементов распадаются и со временем выделяют излучение, превращаясь в атомы свинца.
|
|
|
|
Напротив, четвертая форма свинца, свинец-204, является "первоначальным" свинцом, который существовал с момента образования Земли и не является радиогенным, поскольку он не образуется в результате радиоактивного распада.
|
|
|
|
Радиоактивный распад происходит с фиксированной скоростью и поэтому может действовать как своего рода "геологические часы", позволяющие ученым определять возраст горных пород, например, измеряя соотношение содержания свинца в радиоактивно распавшемся уране к свинцу, который первоначально существовал на Земле.
|
|
|
|
Проще говоря, если в породе много свинца, например, из урана, но очень мало исходного свинца, породу можно считать "молодой". Если в породе много исходного свинца, но очень мало свинца, полученного из урана, порода древняя.
|
|
|
|
Парадокс недостающего свинца возникает, когда мы сравниваем содержание свинца в поверхностных породах Земли с образцами древних метеоритов, которые помогли сформироваться Земле.
|
|
|
|
В настоящее время поверхностные породы содержат слишком много "молодого" свинца, образующегося в результате радиоактивного распада, такого как свинец-206 и свинец-207, намного больше, чем предсказывает теория. Это создает впечатление, что Земля намного моложе, чем ожидалось, по сравнению с этими древними метеоритами, что, безусловно, не так. Переизбыток "молодого" свинца на поверхности также свидетельствует о том, что большая часть древнего, изначального свинца на Земле, по-видимому, отсутствует.
|
|
|
|
В течение многих лет одна из ведущих теорий предполагала, что этот древний свинец попал в железное ядро Земли во время его формирования. Хотя эта теория была популярной, она не в состоянии полностью объяснить механизмы того, как свинец попал в ядро и мог оставаться там на протяжении тысячелетий. Может быть, тогда есть другое объяснение?
|
|
|
|
Охота за скрытыми свинцовыми резервуарами
|
|
|
|
В попытке найти эту недостающую зацепку исследовательская группа, возглавляемая профессором Саймоном Редферном и бывшим научным сотрудником доктором Лю Сиюй (Liu Siyu) из ASE НТУ сосредоточился на поведении сульфида свинца (PbS). Сульфид свинца является вероятным кандидатом на хранение свинца в Земле, поскольку свинец, естественно, обладает высоким сродством к сере и, скорее всего, будет обнаружен в виде соединения, образующегося с серой.
|
|
|
|
Используя компьютерное моделирование, исследователи показали, что сульфид свинца становится необычайно стабильным при экстремальных давлениях, которые можно обнаружить глубоко в мантии Земли. На самом деле он может оставаться твердым при температурах до 5000 °C, что намного выше реальных условий в мантии.
|
|
|
|
Это говорит о том, что скрытые залежи древнего свинца могли образоваться на ранней стадии истории Земли, а затем оставаться спрятанными глубоко в мантии, оставаясь твердыми и скрытыми от урана и тория земной коры. Таким образом, этот древний свинец вряд ли может способствовать первоначальному содержанию свинца в горных породах на поверхности, что приводит к их более низкому, чем ожидалось, содержанию.
|
|
|
|
Компьютерное моделирование команды также предсказало две совершенно новые химические структуры свинцово-сернистых минералов, называемых полисульфидами (PbS2 и PbS3), которые могут образоваться в мантии Земли. Ожидается, что эти соединения образуются в условиях высокого давления в локально обогащенных серой областях мантии.
|
|
|
|
Один из этих минералов (PbS2), вероятно, остается твердым в условиях, подобных тем, что существуют в верхней мантии. Но другое соединение свинца и серы (PbS2) имеет более низкую температуру плавления и иногда может превращаться в жидкость. Таким образом, поднимаясь к поверхности Земли, он может содержать небольшое количество древнего свинца, который "просачивается" в земную кору, что может объяснить, почему сегодня мы иногда находим такой древний свинец в вулканических породах.
|
|
|
|
Поскольку мы не можем спуститься на тысячи километров ниже поверхности Земли, чтобы изучить его, исследователи обратились к передовому компьютерному моделированию. Они использовали сложное программное обеспечение под названием CALYPSO, которое может предсказывать структуру материалов, учитывая только их химический состав и внешние условия. Это позволило команде предсказать, как поведут себя атомы свинца и серы в различных соотношениях при экстремальных подземных давлениях.
|
|
|
|
Исследователи также провели моделирование, чтобы оценить, как перемещаются атомы в свинцово-сернистых минералах при высоких температурах. Их тщательные вычислительные подходы показали, что эти теоретические сульфиды, находящиеся под высоким давлением, являются термодинамически осуществимыми минералами, которые могут противостоять вспениванию недр Земли в течение миллиардов лет.
|
|
Почему это исследование имеет значение
|
|
|
|
Это открытие является важным моментом для геологии. Оно показывает, что недостающий свинец может залегать глубоко в мантии. Это также помогает ученым понять, почему они иногда находят очень древние следы свинца в вулканических породах - результат "утечки" древнего свинца на поверхность.
|
|
|
|
В этой истории есть и космическая сторона, поскольку она меняет наше представление о химическом составе планет. Зная, что сера играет решающую роль в распределении металлов, таких как свинец, в недрах Земли, мы можем применить эти знания к другим каменистым планетам, таким как Марс, и улучшить наше понимание того, как химически эволюционируют другие планеты.
|
|
Что ждет нас в будущем
|
|
|
|
Следующим шагом в исследовании команды теперь будет воссоздание экстремальных условий земной мантии в лаборатории, чтобы проверить свои компьютерные прогнозы, одновременно уточняя свои компьютерные модели, чтобы дать более четкое представление о том, когда и как разделились слои Земли. Они также будут искать новые свидетельства присутствия этих минералов в образцах горных пород, образовавшихся в результате тектонической или вулканической активности.
|
|
|
|
Поиск ключей к разгадке пропавшего на Земле свинца - это шаг к лучшему пониманию нашей планеты и открывает возможность для раскрытия дальнейших тайн в недрах Земли.
|
|
|
|
Источник
|
