Một nghiên cứu tiên phong tiết lộ rằng nước bề mặt Trái đất chạm đến lõi, thay đổi thành phần của nó và gợi ý sự tương tác năng động hơn giữa lõi và lớp phủ và một chu trình nước toàn cầu phức tạp.

Vài thập kỷ trước, các nhà địa chấn học chụp ảnh hành tinh sâu đã xác định được một lớp mỏng chỉ dày hơn vài trăm km. Nguồn gốc của lớp này, được gọi là lớp E sơ cấp, cho đến nay vẫn là một bí ẩn.

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế, bao gồm các nhà khoa học Dan Shim, Taehyun Kim và Joseph O’Rourke của Đại học Bang Arizona, đã tiết lộ rằng nước từ bề mặt Trái đất có thể xâm nhập sâu vào hành tinh, làm thay đổi thành phần của hành tinh. Vùng bên ngoài của hạt nhân kim loại lỏng và tạo thành một lớp mỏng đặc trưng.

Nghiên cứu của họ được công bố ngày 13 tháng 11 trên tạp chí Khoa học trái đất tự nhiên.

Quá trình vận chuyển nước sâu

Nghiên cứu chỉ ra rằng trong hàng tỷ năm, nước bề mặt đã được vận chuyển sâu vào Trái đất bằng cách hút chìm hoặc hút chìm các mảng kiến ​​tạo. Đạt đến ranh giới giữa lõi và lớp phủ, khoảng 1.800 dặm dưới bề mặt, nước này gây ra phản ứng hóa học sâu, làm thay đổi cấu trúc của lõi.

Hình minh họa bên trong Trái đất cho thấy nước đang hút chìm và cột magma dâng cao. Tại giao diện nơi nước nhúng vào lõi, quá trình trao đổi hóa học xảy ra để tạo thành lớp giàu hydro ở lõi ngoài phía trên và silica dày đặc ở đáy lớp phủ. Nguồn: Đại học Yonsei

Phản ứng hóa học ở ranh giới lõi-lớp phủ

Cùng với Young Jae Lee từ Đại học Yonsei Tại Hàn Quốc, Shim và nhóm của ông đã chứng minh thông qua các thí nghiệm áp suất cao rằng nước ngập sẽ phản ứng hóa học với các vật liệu cơ bản. Phản ứng này tạo thành một lớp nghèo silicon, giàu hydro, thay đổi vùng lõi bên ngoài phía trên thành cấu trúc giống như màng. Ngoài ra, phản ứng còn tạo ra các tinh thể silica nổi lên và kết hợp với lớp phủ. Lớp khoáng chất lỏng biến đổi này dự kiến ​​sẽ ít đậm đặc hơn, với vận tốc địa chấn thấp hơn, phù hợp với các đặc điểm dị thường được các nhà địa chấn học lập bản đồ.

Tương tác lõi-lớp phủ và hiệu ứng toàn cầu

“Trong nhiều năm, sự trao đổi vật lý giữa lõi Trái đất và lớp phủ của nó được cho là nhỏ. Tuy nhiên, các thí nghiệm áp suất cao gần đây của chúng tôi lại tiết lộ một câu chuyện khác. “Chúng tôi phát hiện ra rằng khi nước chạm đến ranh giới giữa lõi và lớp phủ, nó tương tác với silicon trong lõi,” Shim nói, tạo thành silica.” “Khám phá này, cùng với quan sát trước đây của chúng tôi về kim cương hình thành từ phản ứng của nước với carbon trong sắt lỏng dưới áp suất cực lớn, cho thấy một tương tác năng động hơn nhiều”. giữa lõi và lớp phủ, cho thấy sự trao đổi vật lý đáng kể.”

Khám phá này nâng cao hiểu biết của chúng ta về các quá trình bên trong Trái đất, gợi ý về một chu trình nước toàn cầu rộng lớn hơn những gì đã được công nhận trước đây. “Lớp” thay đổi của lõi có ý nghĩa sâu sắc đối với các chu trình địa hóa liên kết chu trình nước bề mặt với lõi khoáng sản sâu.

Tham khảo: “Lớp giàu hydro ở lớp lõi ngoài phía trên có nguồn gốc từ vùng nước ngập sâu” của Taehyun Kim, Joseph J. O’Rourke, Jeongmin Lee, Stella Chariton, Vitaly Prakapinka, Rachel J. Husband, Nico Giordano, Hans-Peter Lerman, Sang-Hyun Shim và Youngjae Lee, ngày 13 tháng 11 năm 2023, Khoa học trái đất tự nhiên.
doi: 10.1038/s41561-023-01324-x

Nghiên cứu được thực hiện bởi một nhóm các nhà địa chất học quốc tế sử dụng các kỹ thuật thí nghiệm tiên tiến tại Nguồn Photon nâng cao tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và PETRA III từ Deutsches Elektronen-Synchrotron ở Đức để tái tạo các điều kiện khắc nghiệt ở ranh giới lõi-lớp phủ.

Các thành viên trong nhóm và vai trò chính của họ ở ASU là Kim, người đã bắt đầu dự án này với tư cách là một nghiên cứu sinh tiến sĩ thỉnh giảng và hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Trường Thám hiểm Trái đất và Không gian; Wasim, giáo sư tại Trường Thám hiểm Trái đất và Không gian, người đứng đầu công việc thí nghiệm áp suất cao; O’Rourke, trợ lý giáo sư tại Trường Thám hiểm Trái đất và Không gian, đã chạy mô phỏng tính toán để hiểu sự hình thành và tính liên tục của lớp mỏng đang thay đổi trong lõi. Lee dẫn đầu nhóm nghiên cứu từ Đại học Yonsei, cùng với các nhà khoa học nghiên cứu chính Vitaly Prakapinka và Stella Chariton tại Advanced Photon Source và Rachel Zug, Nico Giordano và Hans-Peter Lerman tại Deutsches Elektronen-Synchrotron.

Công trình này được hỗ trợ bởi Chương trình Khoa học Trái đất của NSF.