Eksperimenter sætter spørgsmålstegn ved jordens jerns oprindelse

Ny forskning fra University of Texas i Austin afslører, at Jordens unikke jernsammensætning ikke er forbundet med dannelsen af ​​planetens kerne, sætter spørgsmålstegn ved en fremherskende teori om de begivenheder, der formede vores planet i dens tidligste år.

Forskningen, udgivet i Naturkommunikation den 20. feb. åbner døren for andre konkurrerende teorier om, hvorfor Jorden, i forhold til andre planeter, har højere niveauer af tunge jernisotoper. Blandt dem:lette jernisotoper kan være blevet fordampet ud i rummet ved et stort sammenstød med en anden planet, der dannede månen; den langsomme kværnning af kappen, når den fremstiller og genbruger jordskorpen, kan fortrinsvis inkorporere tungt jern i sten; eller, sammensætningen af ​​det råmateriale, der dannede planeten i dens tidligste dage, kan være blevet beriget med tungt jern.

En isotop er en række atomer, der har en anden vægt end andre atomer af samme grundstof, fordi den har et andet antal neutroner.

"Jordens kerneformation var sandsynligvis den største begivenhed, der påvirkede Jordens historie. Materialer, der udgør hele Jorden, blev smeltet og differentieret, " sagde Jung-Fu Lin, en professor ved UT Jackson School of Geosciences og en af ​​undersøgelsens forfattere. "Men i denne undersøgelse, vi siger, at der må være andre årsager til Jordens jernisotopanomali."

Jin Liu, nu postdoc-forsker ved Stanford University, ledet forskningen, mens han fik sin ph.d. på Jackson-skolen. Samarbejdspartnere omfatter forskere fra University of Chicago, Sorbonne universiteter i Frankrig, Argonne National Laboratory, Center for højtryksvidenskab og avanceret teknologiforskning i Kina, og University of Illinois i Urbana-Champaign.

Stenprøver fra andre planetariske kroppe og objekter - lige fra månen, til Mars, til gamle meteoritter kaldet kondritter - alle deler omtrent det samme forhold mellem tunge og lette jernisotoper. I sammenligning med disse prøver fra rummet, klipper fra Jorden har omkring 0,01 procent flere tunge jernisotoper end lette isotoper.

Det lyder måske ikke af meget, men Lin sagde, at det er vigtigt nok til at gøre Jordens jernsammensætning unik blandt kendte verdener.

"Denne 0,01 procent anomali er meget signifikant sammenlignet med, sige, kondritter, " sagde Lin. "Denne betydelige forskel repræsenterer således en anden kilde eller oprindelse til vores planet."

Lin sagde, at en af ​​de mest populære teorier til at forklare Jordens jernsignatur er, at planetens relativt store størrelse (sammenlignet med andre klippelegemer i solsystemet) skabte høje tryk og høje temperaturforhold under kernedannelsen, der gjorde forskellige proportioner af tunge og lette jernisotoper ophobes i kernen og kappen. Dette resulterede i, at en større andel af tunge jernisotoper binder sig til elementer, der udgør den stenede kappe, mens lettere jernisotoper bindes sammen og med andre spormetaller for at danne Jordens kerne.

Men da forskerholdet brugte en diamantambolt til at udsætte små prøver af metallegeringer og silikatsten for kernedannelsestryk, de fandt ikke kun ud af, at jernisotoperne blev siddende, men at båndene mellem jern og andre grundstoffer blev stærkere. I stedet for at bryde og genbinde med fælles kappe eller kerneelementer, den oprindelige bindingskonfiguration blev mere robust.

"Vores højtryksundersøgelser viser, at isotopfraktionering af jern mellem silikatkappe og metalkerne er minimal, " sagde Liu, hovedforfatteren.

Medforfatter Nicolas Dauphas, professor ved University of Chicago, understregede, at det var en bedrift i sig selv at analysere atomskalamålingerne.

"Man skal bruge sofistikerede matematiske teknikker for at give mening i målingerne, " sagde han. "Det tog et drømmehold at klare det her."

Helen Williams, en geologilektor ved University of Cambridge, sagde, at det er svært at kende de fysiske forhold for Jordens kernedannelse, men at de høje tryk i eksperimentet giver en mere realistisk simulering.

"Dette er en virkelig elegant undersøgelse, der bruger en meget ny tilgang, der bekræfter ældre eksperimentelle resultater og udvider dem til meget højere tryk, der passer til de sandsynlige betingelser for kerne-kappe-ligevægt på Jorden, " sagde Williams.

Lin sagde, at det vil tage mere forskning at afdække årsagen til Jordens unikke jernsignatur, og at eksperimenter, der tilnærmer tidlige forhold på Jorden, vil spille en nøglerolle, fordi klipper fra kernen er umulige at opnå.