Первичный гелий может вытекать из ядра Земли

Новый анализ древних потоков лавы в Канадская Арктика предполагает, что гелий, запертый в ядре Земли, может медленно «просачиваться» в мантию, а затем достигать поверхности — идея, которая бросает вызов научному пониманию внутреннего устройства нашей планеты.

Это последнее свидетельство, подтверждающее гипотезу о том, что первичные «резервуары» гелия и других элементов находились в ловушке. Ядро Земли когда молодое Солнце и протопланеты образовались из облака газа и пыли более 4,5 миллиардов лет назад.

Результаты «предполагают, что где-то в глубоких частях нашей планеты газы сохранились с момента формирования Земли», — говорит ведущий автор нового исследования. Форрест Хортонгеохимик Океанографического института Вудс-Хоул.

Ученые могут получить некоторое представление о том, где находится атом гелий возникла на основе количества нейтронов в его ядре — цифры, которая отличает разные виды или изотопы элемента. Например, изотоп гелий-3, имеющий два протона и один нейтрон, был создан в звездах и во время Большого взрыва. Этот изотоп крайне редок на Земле.

Между тем гелий-4, который составляет большую часть газа, наполняющего воздушные шары для вечеринок и помогающего охлаждать аппараты магнитно-резонансной томографии, имеет в каждом ядре два протона и два нейтрона. Этот изотоп относительно распространен на Земле, где он образуется в результате естественного радиоактивного распада урана и тория в недрах нашей планеты.

Для нового исследования, которое было опубликовано в ПриродаХортон и его коллеги проанализировали образцы потоков лавы возрастом 62 миллиона лет на востоке Баффинова острова, арктического острова на крайнем севере Канады, покрытого камнями, снегом и льдом и населенного белыми медведями. Геологи десятилетиями изучали лаву, пытаясь узнать больше о том, как устроена мантия Земли. Например, в исследовании, опубликованном в 2003 году, исследователи впервые обнаружили аномально высокий уровень гелия 3 по сравнению с гелий 4, в лавах — самый высокий показатель, когда-либо зарегистрированный в горных породах недр Земли, и в 50 раз превышающий этот показатель в атмосфере. В соответствии с преобладающими геологическими теориями они пришли к выводу, что гелий-3, вероятно, произошел из первичного резервуара гелия в мантии, слое недр Земли под корой.

Летом 2018 года команда Хортона намеревалась повторить эти результаты, совершив двухнедельную экспедицию на Баффинов остров для сбора образцов лавы. В лабораториях Вудс-Хоула и Калифорнийского технологического института исследователи проанализировали минерал под названием оливин в образцах, содержащих микроскопические карманы газообразного гелия. Этот захваченный газ имел еще более высокое соотношение гелия-3 к гелию-4, которое было как минимум в 65, а то и в 69 раз больше, чем атмосферное соотношение.

По словам Хортона, повышенное соотношение изотопов гелия также обнаружено в вулканических породах из других горячих точек по всему миру, таких как Гавайи и Галапагосские острова. Однако это соотношение в лавах Баффинова острова примерно в два раза выше, чем в других местах.

Эти беспрецедентные открытия позволили команде Хортона предположить, что гелий произошел не из мантии, а из еще более глубокого источника: ядра Земли. По его словам, лавы содержали другие элементы, такие как неон, изотопные соотношения которых позволяют предположить, что они могли произойти из ядра. Эта возможность имеет значение для формирования Земли и других планет, включая экзопланеты вокруг других звезд.

Но как этот первичный газ мог достичь поверхности Земли? Хортон предполагает, что гелий мог сначала просочиться из внешних частей ядра планеты в соседнюю мантию. Затем гелий мог подняться в виде плавучей горной породы внутри мантии, которая плавилась по мере подъема, так что образующаяся магма в конечном итоге извергалась на поверхность в виде лавы.

Если это так, говорит Хортон, то результаты дают геохимикам редкую возможность взглянуть на процессы, происходящие на границе ядра и мантии Земли, почти на 3000 километров под нашими ногами.

Результаты могут также повлиять на то, как ученые думают об эволюции нашей планеты. На ранних стадиях формирования Земли гелий и другие газы могли находиться в изобилии в каменистой мантии. Но Хортон говорит, что гипотеза об утечке гелия из ядра предполагает, что почти весь первоначальный гелий был потерян из каменистых частей нашей планеты на более поздних стадиях «конвективного перемешивания» внутри мантии, поэтому мантия может быть более тщательно перемешана, чем предполагалось ранее. .

Хортон, однако, предупреждает, что это еще не окончательный ответ на геохимические дебаты о происхождении земного гелия и других «благородных» или нереактивных газов, в том числе неона и аргона. Геохимики уже давно задаются вопросом, произошли ли эти газы из первичных резервуаров или были добавлены после того, как наша планета образовалась в результате облучения солнечным ветром или на гелийсодержащих метеоритах.

И хотя новые данные свидетельствуют о том, что газы выходят из ядра, Хортон отмечает, что это не доказано абсолютно. «Я бы сказал, что все еще существует значительная неуверенность в том, исходит ли гелий из ядра», – говорит он.

Мнения экспертов по поводу того, какие выводы они могут сделать из исследования, разделились. Корнелия Класс, геохимик из Земной обсерватории Ламонт-Доэрти при Колумбийском университете, который не принимал участия в исследовании, считает, что Хортон может быть чрезмерно осторожен. Фактически, по ее словам, последнее исследование является «очень убедительным доказательством» того, что гелий вытекает из ядра.

Но геохимик Мануэль Морейра Обсерватории наук о Вселенной Орлеанского университета во Франции, которая также не участвовала в исследовании, более двусмысленна. «Повторяющееся предположение о том, что гелий хранится и впоследствии вытекает из ядра, остается спекулятивным», — говорит он. «Тем не менее, это исследование способствует дальнейшему пониманию происхождения благородных газов на Земле».