Ученые выяснили, где в недрах Земли скрывается недостающая часть древнего свинца
Загадка огромного количества свинца, недостающего в земной коре, долгое время ставила в тупик геологов. Однако новые исследования, проведенные учеными из Наньянского технологического университета (NTU), предполагают, что этот элемент может быть скрыт в мантии планеты под воздействием колоссального давления. Результаты этой работы, опубликованные в журнале Nature Communications, наконец предлагают ответ на вопрос о том, как свинец ведет себя глубоко в недрах Земли.
Геологи долгое время использовали свинец как естественную летопись геологической истории нашей планеты. Разновидности свинца, называемые изотопами, которые отличаются друг от друга количеством нейтронов, предоставляют важную информацию о глубоком геологическом прошлом Земли. Три из четырех форм свинца — свинец-206, свинец-207 и свинец-208 — являются радиогенными. Это означает, что со временем они образуются в результате распада урана или тория. Четвертая форма, свинец-204, является первичным типом свинца, существовавшим на нашей планете изначально. Эти различные изотопы позволяют исследователям отслеживать перемещение материала между корой, мантией и ядром Земли, а также определять его возраст. Постоянная скорость распада изотопов дает возможность точно датировать образцы, сравнивая количество присутствующего урана с тем, что должно было быть в исходном свинце-204.
Несмотря на то, что ученые хорошо отслеживают перемещение свинца по Земле, их долгое время ставила в тупик разница в уровнях содержания этого элемента между древними метеоритными образцами и поверхностными слоями планеты. Эти метеориты представляют собой те самые космические камни, которые в далеком прошлом сталкивались друг с другом, образуя нашу планету. При анализе поверхностных образцов исследователи обнаруживают гораздо больше молодого свинца, чем ожидалось. Это позволяет предположить, что Земля гораздо моложе сформировавших ее метеоритов, что невозможно. Место, где мог скрываться весь древний свинец, из которого сформировалась Земля, долгое время оставалось загадкой для геологов, хотя одно из объяснений приобрело определенную популярность. Некоторые ученые полагают, что большая часть этого древнего свинца утонула в расплавленном ядре Земли еще во время формирования планеты, однако точный механизм этого процесса ускользал от исследователей.
В попытке обнаружить недостающий свинец нашей планеты команда NTU сосредоточилась на том, как он хранится в недрах Земли, отметив его высокую вероятность соединяться с серой. Исследователи провели компьютерное моделирование соединения сульфида свинца в экстремальных температурных условиях и при давлении, характерном для глубоких слоев мантии, используя мощное программное обеспечение CALYPSO. Они отметили, что это соединение оказалось удивительно стабильным, способным выдерживать экстремальные температуры, приближающиеся к 5000 °C, оставаясь при этом твердым. В таких условиях древний свинец мог накапливаться в скрытых резервуарах в мантии, никогда не вступая в контакт с ураном или торием и не достигая поверхности. Это соответствует ранее сбивавшим с толку данным, демонстрирующим очень низкую долю первичного свинца на поверхности планеты.
Примечательно, что в ходе моделирования сульфид свинца в этих условиях образовал две новые химические структуры, что позволило дополнительно объяснить соотношение изотопов свинца, обнаруженное на поверхности. Одна из них, PbS₂, с большей вероятностью остается твердой в самых суровых условиях, в то время как другая, PbS₃, имеет более низкую температуру плавления. Эта более низкая температура плавления означает, что последняя форма может просачиваться к поверхности планеты, оставляя тот свинец, который сегодня находят в вулканических породах. Благодаря новому пониманию этой ключевой загадки Земли исследователи также получат новое представление о том, как формируются и развиваются другие планеты. Для продолжения своих исследований команда планирует в ближайшее время воссоздать экстремальные условия земных недр в лаборатории, чтобы подтвердить свои выводы, а также продолжить поиск дополнительных доказательств в образцах вулканических пород.
Статья была в журнале Nature Communications.