Jorden kan ha gitt fra seg de innerste hemmelighetene til et par geokjemikere i California, som har brukt omfattende datasimuleringer for å brette sammen den tidligste historien til planeten vår kjerne.
Dette skjemaet av jordskorpen og mantelen viser resultatene fra deres studie, som fant ekstreme trykk ville ha konsentrert jerns tyngre isotoper nær bunnen av mantelen da den krystalliserte fra et hav av magma.
Ved å bruke en superdatamaskin for å praktisk talt presse og varme opp jernholdige mineraler under forhold som ville ha eksistert da jorden krystalliserte fra et hav av magma til sin faste form for 4,5 milliarder år siden, viste de to forskerne - fra University of California i Davis - har produsert det første bildet av hvor forskjellige isotoper av jern opprinnelig ble distribuert i den faste jorden.
Oppdagelsen kan innlede en bølge av undersøkelser om utviklingen av jordens mantel, et lag med materiale som er omtrent 1800 mil dypt som strekker seg fra like under planetens tynne skorpe til den metalliske kjerne.
"Nå som vi har en anelse om hvordan disse isotoper av jern opprinnelig ble distribuert på jorden," sa hovedstudieforfatter James Rustad, "vi burde kunne bruke isotopen til å spore de indre virkningene av jordens motor."
Et dokument som beskrev studien til Rustad og medforfatteren Qing-zhu Yin ble lagt ut på nettet av tidsskriftetNature Geoscience søndag 14. juni i forkant av den trykte publikasjonen i juli.
Den enorme mantelen, som er klemt mellom jordskorpen og kjernen, utgjør omtrent 85 prosent av planetens volum. På en menneskelig tidsskala ser denne enorme delen av vår orb ut til å være solid. Men over millioner av år fører varme fra den smeltede kjerne og mantelens eget radioaktive forfall til at den sakte kvises, som tykk suppe over en lav flamme. Denne sirkulasjonen er drivkraften bak overflatebevegelsen til tektoniske plater, som bygger fjell og forårsaker jordskjelv.
En kilde til informasjon som gir innsikt i fysikken til denne viskøse massen er de fire stabile formene, eller isotoper, av jern som kan finnes i bergarter som har steget til jordoverflaten ved midt-havrygger der havbunnsspredning forekommer og på hotspots som Hawaiis vulkaner som rykker opp gjennom jordskorpen. Geologer mistenker at noe av dette materialet har sin opprinnelse ved grensen mellom mantelen og kjernen, cirka 1 800 mil under overflaten.
"Geologer bruker isotoper for å spore fysisk-kjemiske prosesser i naturen slik biologer bruker DNA for å spore utviklingen av livet," sa Yin.
Fordi sammensetningen av jernisotoper i bergarter vil variere avhengig av trykk- og temperaturforholdene under hvilke en bergart ble opprettet, sa Yin, i prinsippet, kunne geologer bruke jernisotoper i bergarter samlet på varme steder rundt om i verden for å spore mantelens geologiske historie . Men for å gjøre det, måtte de først vite hvordan isotopene opprinnelig ble distribuert i jordens urmagasiske hav når det avkjøles og herdet.
Yin og Rustad undersøkte hvordan de konkurrerende effektene av ekstremt trykk og temperatur dypt inne i jordas indre ville ha påvirket mineralene i den nedre mantelen, sonen som strekker seg fra rundt 400 mil under planetens jordskorpe til kjernemantellgrensen. Temperaturer opp til 4500 grader Kelvin i regionen reduserer de isotopiske forskjellene mellom mineraler til et lite nivå, mens knusingstrykk har en tendens til å endre den grunnleggende formen for selve jernatom, et fenomen kjent som elektronisk spinnovergang.
Paret beregnet jernisotopsammensetningen av to mineraler under en rekke temperaturer, trykk og forskjellige elektroniske spinntilstander som nå er kjent for å oppstå i den nedre mantelen. De to mineralene, ferroperovskite og ferropericlase, inneholder praktisk talt alt av jern som forekommer i denne dype delen av jorden.
Beregningene var så komplekse at hver serie Rustad og Yin kjørte gjennom datamaskinen som kreves en måned å fullføre.
Yin og Rustad bestemte at ekstreme trykk ville ha konsentrert jerns tyngre isotoper nær bunnen av den krystalliserende mantelen.
Forskerne planlegger å dokumentere variasjonen av jernisotoper i rene kjemikalier utsatt for temperaturer og trykk i laboratoriet som tilsvarer de som finnes ved kjernemantellgrensen. Etter hvert, sa Yin, håper de å se sine teoretiske forutsigelser bekreftet i geologiske prøver generert fra den nedre mantelen.
Kilde: EurekAlert
