Изучение окисленного и обедненного железом химического состава континентальной коры Земли, а не кристаллизации минерального халцедона:

Новое исследование пытается определить понимание земной коры, проверяя и опровергая популярную гипотезу о том, почему континентальная кора имеет более низкий уровень железа и больше окисления, чем океаническая кора. Плохой состав железа в континентальной коре является основной причиной того, что обширные участки поверхности Земли возвышаются над уровнем моря как суша, что делает возможной земную жизнь сегодня. В исследовании, опубликованном в журнале Science, используются лабораторные эксперименты, чтобы показать, что обедненная железом окислительная химия, типичная для континентальной коры Земли, вероятно, не возникла в результате кристаллизации минерального граната, как было популярное объяснение, предложенное в 2018 году.

Исследование было проведено Элизабет Коттрелл, геологом-исследователем и куратором горных пород в Национальном музее естественной истории Смитсоновского института, и ведущим автором исследования Меган Холи-Кросс, бывшим научным сотрудником Питера Бака и сотрудником Национального научного фонда музея, а ныне ассистентом. профессор Корнельского университета. Университет. Строительные блоки новой континентальной коры извергаются из глубины Земли в так называемые континентальные дуговые вулканы, которые находятся в зонах субдукции, где океаническая плита погружается под континентальную плиту. В объяснении граната обедненного и окисленного состояния железа в континентальной коре кристаллизация граната в магме под этими континентальными вулканами удаляет неокисленное железо (восстановленное или трехвалентное, как это известно среди ученых) из земных плит, истощая железо на в то же время. Магма расплавила железо, оставив его более окисленным.

Основным следствием уменьшения содержания железа в континентальной коре Земли по сравнению с океанической корой является то, что оно делает континенты менее плотными и более плавучими, в результате чего континентальные плиты поднимаются над мантией планеты из океанических плит. Это несоответствие в плотности и плавучести является основной причиной того, что континенты имеют сушу, а океанические коры находятся под водой, и почему континентальные плиты всегда появляются сверху, когда они встречаются с океаническими плитами в зонах субдукции. Объяснение Гарнет истощения и окисления железа в магматической континентальной дуге было убедительным, но Коттрелл сказала, что один аспект этого просто не подходит ей.

«Чтобы сделать агат устойчивым, нужно высокое давление, и вы найдете эти магмы с низким содержанием железа в местах, где кора не такая толстая, поэтому давление не очень высокое», — сказала она. В 2018 году Коттрелл и ее коллеги решили найти способ проверить, действительно ли кристаллизация гранатов на глубине под этими дуговыми вулканами необходима для процесса формирования континентальной коры, как это понимается. Чтобы достичь этого, Коттрелл и Холикрос должны были найти способы воспроизвести экстремальную температуру и давление земной коры в лаборатории, а затем разработать методы, достаточно чувствительные, чтобы не только измерять количество присутствующего железа, но и различать окисление этого железа.

Чтобы воссоздать огромное давление и тепло под континентальными дуговыми вулканами, команда использовала так называемые прессы с поршневым цилиндром в музейной лаборатории высокого давления и в Корнелле. Поршень гидравлического поршневого цилиндра размером с мини-холодильник сделан в основном из невероятно толстой и прочной стали и карбида вольфрама. Сила, прикладываемая большим гидравлическим поршнем, приводит к очень высокому давлению на небольшие образцы породы размером около кубического миллиметра. Сборка состоит из электрических и тепловых изоляторов, окружающих образец горной породы, а также цилиндрической печи. Комбинация пресса с поршневым цилиндром и нагревательной установки позволяет экспериментировать с очень высокими уровнями давления и температуры, характерными для вулканов. В ходе 13 различных экспериментов Коттрелл и Холикрос выращивали гранатовые образцы расплавленной породы внутри пресса с поршневым цилиндром при давлениях и температурах, предназначенных для имитации условий внутри магматических очагов глубоко в земной коре. Давление, использованное в экспериментах, варьировалось от 1,5 до 3 гигапаскалей — примерно от 15 000 до 30 000 земных давлений, или в 8 000 раз больше, чем давление внутри банки с газировкой. Температура колебалась от 950 до 1230 градусов по Цельсию, достаточно высокая, чтобы расплавить скалу.

Затем команда собрала гранаты из Национальной коллекции камней Смитсоновского института и других исследователей по всему миру. Важно отметить, что эта группа гранатов уже была проанализирована, поэтому концентрация окисленного и неокисленного железа в них была известна. Наконец, авторы исследования передали материал из своих экспериментов и материалы, собранные группами, в усовершенствованный источник фотонов в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США в Иллинойсе. Группа использовала высокоэнергетические пучки рентгеновских лучей для проведения рентгеновской абсорбционной спектроскопии — метода, который может рассказать ученым о структуре и составе материалов на основе того, как они поглощают рентгеновские лучи. В этом случае исследователи смотрели на концентрации окисленного и неокисленного железа.

Образцы с известными пропорциями окисленного и неокисленного железа предоставили возможность проверить и откалибровать измерения рентгеновской абсорбционной спектроскопии, а также облегчить сравнение с материалами из их экспериментов. Результаты этих испытаний показали, что агат не содержит достаточного количества неокисленного железа из образцов горных пород, чтобы объяснить уровни истощения и окисления железа, присутствующие в магмах, которые являются строительными блоками континентальной коры Земли.

«Эти результаты делают модель кристаллов граната маловероятным объяснением того, почему магма из континентальных вулканов окисляется, а железо истощается», — сказал Коттрелл. «Вполне вероятно, что условия в мантии Земли под континентальной корой создают эти окислительные условия». Как и многие научные открытия, результаты вызывают больше вопросов: «Что приводит к окислению или истощению запасов железа?» — спросил Коттрелл. «Если агат не кристаллизуется в коре и как-то связан с тем, как магма вышла из мантии, что происходит в мантии? Как изменился их состав?»

На эти вопросы трудно ответить, сказал Коттрелл, но основная теория сейчас состоит в том, что окисление серы может окислять железо, что исследует нынешняя коллега Питера Бака под ее руководством в музее. Это исследование является примером исследований, которые музейные ученые проведут в рамках новой музейной инициативы «Наша уникальная планета», государственно-частного партнерства, которая поддерживает исследования некоторых из наиболее устойчивых и важных вопросов о том, что делает Землю особенной. Другие исследования будут посвящены источнику жидких океанов Земли и тому, как минералы могут служить моделями жизни.

Это исследование было поддержано Смитсоновским институтом, Национальным научным фондом, Министерством энергетики и Фондом Лиды Хилл. Любимый

(Эта история не редактировалась сотрудниками Devdiscourse и была автоматически создана из синдицированного канала.)