Současné chápání je takové, že chemické složení zemského pláště je relativně homogenní. Ale experimenty výzkumníků ETH nyní ukazují, že tento pohled je velmi jednoduchý. Jejich výsledky řeší důležitý problém, kterému čelí věda o Zemi, a nastolují nové otázky.
Existují místa, kam nemůžeme vždy dosáhnout. Vnitřek světa je jedním z nich. Máme však způsoby, jak porozumět tomuto neobjevenému světu. Například seismické vlny nám umožňují uvalit značná omezení na strukturu naší planety a na fyzikální vlastnosti materiálů v ní skrytých. Pak existují vulkanické horniny, které vycházejí hluboko v některých částech zemského povrchu a poskytují důležité vodítka o chemickém složení pláště. A konečně existují laboratorní experimenty, které mohou v malém měřítku simulovat podmínky uvnitř Země.
V časopise se nedávno objevila nová publikace profesora experimentální fyziky minerálů Motohiko Murakami a jeho týmu. PNAS a ukazuje, jak poučné mohou být takové experimenty. Zjištění vědců ukazují, že pro mnoho geologů může být velmi jednoduché pochopit vnitřek Země.
Vědci ETH používají ke studiu chování hlubokých hornin ve vnitřku Země složitou sadu testů. Příklad je v bloku uprostřed fotografie. Uznání: M. Murakami, ETH Zurich
Dramatická změna
Pod zemskou kůrou, která je silná jen několik kilometrů, leží její plášť. Také ze skály obklopuje jádro planety, které začíná asi 2900 kilometrů pod námi. Víme, že díky seismickým signálům dochází v plášti v hloubce asi 660 kilometrů k dramatickým změnám: Zde se horní plášť setkává se spodním pláštěm a mechanické vlastnosti horniny se začínají měnit, takže rychlost šíření seismických vln se na této hranici dramaticky mění.
Nejasné je, zda se jedná pouze o fyzickou hranici, nebo zda se v tomto bodě mění také chemické složení horniny. Mnoho geologů předpokládá, že zemský plášť jako celek je relativně důsledně vyroben z horniny bohaté na hořčík, která má složení podobné peridotitové hornině nalezené na zemském povrchu. Tito vyslanci z horního pláště, který dosáhl zemského povrchu událostmi, jako je sopečná erupce, vykazují poměr hořčík-křemík ~ 1,3.
„Předpoklad, že složení zemského pláště je víceméně homogenní, je založen na relativně jednoduché hypotéze,“ vysvětluje Murakami. “Takže silné konvekční proudy uvnitř pláště také řídí pohyb tektonických desek na zemském povrchu a neustále jej rozvíjí.” Je však možné, že tento pohled je velmi jednoduchý. “
Kde je křemík?
Tato hypotéza má skutečně zásadní chybu. Obecně se uznává, že Země byla vytvořena sbírkou meteoritů, které se vynořily z primitivní sluneční mlhoviny asi před 4,5 miliardami let, a proto mají stejné obecné složení jako tyto meteority. K diferenciaci Země na jádro, plášť a kůru došlo v rámci druhého kroku.
Ponecháme-li stranou železo a nikl, které jsou nyní součástí jádra planety, ukáže se, že plášť by měl ve skutečnosti obsahovat více křemíku než peridotitové horniny. Podle těchto výpočtů by plášť měl mít poměr hořčík-křemík blízký ~ 1 místo ~ 1,3.
To vede geology k otázce: Kde chybí křemík? A je zřejmá odpověď: plášť Země obsahuje velmi málo křemíku, protože je v jádru Země. Murakami však dospěl k jinému závěru, že křemík je ve spodním plášti. To znamená, že složení spodního pláště se liší od složení horního pláště.
Dva diamanty upínající vzorek jsou umístěny ve středu této krabičky se vzorky. Utažení šroubů vytváří podobný tlak, jaký se nachází ve spodním plášti. Uznání: M. Murakami, ETH Zurich
Vinutí hypotéza
Murakamiho hypotéza vyžaduje několik pater a obratů: Zaprvé víme přesně, jak rychle seizmické vlny procházejí pláštěm. Za druhé, laboratorní experimenty ukazují, že spodní plášť je vyroben převážně z křemičitého minerálu bridgmanitu a minerálu ferropericlasy bohatého na hořčík. Zatřetí víme, že rychlost pohybu seismických vln závisí na pružnosti minerálů, které tvoří horninu. Jsou-li tedy známy elastické vlastnosti těchto dvou minerálů, je možné vypočítat proporce každého minerálu potřebné k jeho korelaci s pozorovanou rychlostí seismických vln. V tomto případě je možné odvodit, jaké by mělo být chemické složení spodního pláště.
Zatímco elastické vlastnosti ferropericlasy jsou známy, elastické vlastnosti bridgmanitu ještě nejsou známy. Je to proto, že pružnost tohoto minerálu velmi závisí na jeho chemickém složení; konkrétněji záleží na tom, kolik železa bridgmanit obsahuje.
Během experimentu jsou vzorky hornin upnuty mezi dva diamantové hroty. Diamantové špičky cca. 0,1 mm. Uznání: M. Murakami, ETH Zurich
Časově náročná měření
Murakami a jeho tým nyní provedli vysokotlaké testy na tento minerál ve své laboratoři a experimentovali s různými složeními. Vědci začali upnutím malého vzorku mezi dva diamantové špičky a pomocí speciálního zařízení je stlačili k sobě. To vystavilo vzorek extrémně vysokému tlaku podobnému tlaku, který se nachází ve spodním plášti.
Křemík byl objeven
Murakami poté použil naměřené hodnoty k modelování složení, které nejlépe korelovalo s disperzí seismických vln. Výsledky potvrdily teorii, že složení spodního pláště se liší od složení horního římsy. „Odhadujeme, že Bridgmanite tvoří mezi 88 a 93 procenty spodního pláště,” říká Murakami, „což dává této oblasti poměr hořčíku a křemíku asi 1,1.” Murakamiho hypotéza řeší záhadu chybějícího křemíku.
Jejich zjištění však vyvolávají nové otázky. Například víme, že v určitých subdukčních oblastech je zemská kůra tlačena hluboko do pláště, někdy dokonce až k okraji jádra. To znamená, že horní a dolní plášť nejsou ve skutečnosti hermeticky oddělené entity. Zbývá vidět, jak tato dvě pole interagují a jak přesně funguje vnitřní dynamika Země, aby chemicky vytvořila různé oblasti pláště.
Odkaz: Izumi Mashino, Motohiko Murakami, Nobuyoshi Miyajima a Sylvain Petitgirard, 22. října 2020, „Experimentální důkazy o spodním plášti Země obohaceném o oxid křemičitý bridgmanitem s převahou železného železa“ Sborník Národní akademie věd.
DOI: 10,1073 / pnas.1917096117