Mantelmineraler giver fingerpeg om jordens dybe sammensætning

Forskere har nu et klarere billede af Jordens kappe, takket være Michigan State University forskning offentliggjort i det aktuelle nummer af Naturkommunikation .

Den største udfordring ved at studere planetens midte, Det største lag - klemt mellem dens jernkerne og den tynde overflade, der huser dens levende væsner - er, at den ikke kan ses. Det kan sammenlignes med en patient, der får en CAT-scanning, og lægen kan se mørke og lyse pletter, der indikerer sundt væv og tumorer.

I stedet for en CAT-scanning, imidlertid, geologer bruger seismografer. Men da de ikke kan dykke ned for at udforske, hvad "pletterne" faktisk betyder, de skal tyde, hvad forskellen i bølgefrekvenser fortæller dem.

"Vi ser på et billede af kappen, men vi ved ikke, hvad farverne betyder, " sagde Susannah Dorfman, MSU geoforsker og studiets co-lead forfatter. "De seismiske bølgemønstre viser kontrast, der indikerer forskellig squishiness og forskellige tætheder; vores opgave er at finde ud af, hvad der er dernede og hvorfor."

Forskere tror, ​​at kappen er som marmorkage, blandet sammen ved at hvirvle stumper af havbund og urklippe sammen. Som chokolade og vanilje kage, forskellige dele af kappen har forskellige sammensætninger.

Dorfman sammenligner sit laboratorium og den analyse, hendes team udfører, med kokke i et testkøkken. Hovedingrediensen på denne menu, selvom, er bridgmanit - Jordens mest udbredte mineral. Dette mineral anslås at udgøre mere end 50 procent af Jorden. Mens de er allestedsnærværende i kappen, bridgmanit er ret sjældent på overfladen.

Hvor sjældent? Dens eksistens er blevet teoretiseret og fremstillet i laboratorier siden 70'erne. Men det var først i 2014, at en plet af naturlig bridgmanit blev fundet i en meteorit, dens krystalstruktur kortlagt og officielt døbt.

I køkkenlaboratoriet, holdet lavede en prøve af det sjældne mineral. Ved at bruge en diamantambolt-trykcelle og laseropvarmning - for at kopiere kappens ufattelige tryk og varme - testede de deres opskrift på bridgmanit med en knivspids jern. Denne kombination er ret tæt og oxideret. (Jernjern kan findes i rust.)

"Det mindste tryk, du behøver for at lave bridgmanit i kappen - en kvart million atmosfærer - er som al vægten af ​​en elefant balanceret på et valmuefrø, " sagde Dorfman.

Holdet, ledet af Jiachao Liu, tidligere med MSU nu med University of Texas i Austin, også ændret bridgmanites sammensætning, at bytte magnesium- og siliciumatomer ud med jern 3+-atomer.

"Det ændrede strukturen og hvordan den fungerer, " sagde Dorfman. "Der er en ændring i jernatomet kaldet en spinovergang, hvor atomet krymper og bliver tættere på grund af det intense tryk. Dette dublerer potentielt, hvad der foregår dybt inde i kappen."

Disse laboratoriekogte opskrifter giver en model og nogle indsigter i de mineraler, der potentielt udgør kappen. Hvad Dorfmans team lavede, er ikke en nøjagtig kopi af kappemineralerne, men slutresultatet gav de klareste målinger af tætheden, kompressibilitet og elektronisk ledningsevne af rusten bridgmanit i den nedre kappe.

Mens Dorfman og andre videnskabsmænd måske aldrig ser kappekerneprøver på egen hånd, observationerne og målingerne fra laboratoriet vil hjælpe forskerne med at fortolke, hvad seismiske bølger kan fortælle dem.

Denne undersøgelse vil hjælpe forskere med at bruge geofysiske målinger til nøjagtigt at kortlægge mængden af ​​jern i kappen, men holdet fastslog også, at det vil være svært at se, hvor oxideret det er. Dorfman er fortsat optimistisk over, at denne forskningslinje vil afsløre nogle af kappens mysterier.

"Den dybe kappe er et mærkeligt sted med mystiske træk, der kan være rester af Jordens dannelse, kirkegårde for bunker af sunkne tektoniske plader, kilder til hotspot-vulkaner som Hawaii eller de processer, der formede atmosfæren, " sagde Dorfman. "Alt hvad vi kan opdage om sammensætningen af ​​funktioner i bunden af ​​kappen kan hjælpe os med at løse disse mysterier."

Forskere fra University of Michigan, Center for højtryksvidenskab og teknologisk forskning (Kina), University of Hawaii, Argonne National Laboratory og University of Illinois var også en del af denne forskning.