Неможливий "мінерал гелій у надрах землі?

У нижній мантії благородний газовий гелій міг утворювати стійке з'єднання

Глибоко в нижній мантії, менш благородний газовий гелій може бути захоплений мінералом. © Герхард Сванпоель / thinkstock
читати вголос

Прихована гелійна пастка: у нижній мантії може бути досі нерозпізнаний гелійний резервуар - у вигляді мінералу, що містить гелій. Цей оксид заліза та гелій, який раніше вважався "неможливим", міг би бути стійким в екстремальних умовах надр Землі, як це припускають комп'ютерні моделі. Існування цього мінералу пояснило б, чому певні вулкани все ще переростають гелій з найдавніших часів Землі - він опинився в пастці Землі.

Хоча гелій є другим найпоширенішим елементом у Всесвіті, наш дорогоцінний газ не вистачає на Землі. Через свою низьку щільність газ невблаганно витікає в космос, якщо не потрапляє в контейнери або порожнини скелі. Що ще гірше, атоми гелію реагують надзвичайно повільно - добровільно, благородний газ не є хімічним зв’язком. Гелій може зв’язуватися лише у зв’язках під високим тиском та високою температурою.

Звідки береться стародавній гелій?

Дивна річ, однак: незважаючи на свою надзвичайну мінливість, гелій з перших днів нашої планети все ще знаходиться у внутрішніх просторах Землі: вибух вулканічної лави, наприклад на Гаваях, доводить, що плутонічна порода повинна містити сліди цього благородного газу. Тому дослідники підозрюють, що десь у глибокій мантії є резервуар гелію, який, незважаючи на свою інертність, міцно пов'язаний з мінералом.

Вулкани «гарячої точки», як і Кілауеа на Гаваях, є домом для первісного гелію. © Ivtorov / CC-by-sa 4.0

Але де знаходиться цей гелієвий резервуар і в якому вигляді благородний газ, там є дивовижне. На сьогоднішній день не знайдено жодних природних гелій мінералів, як повідомляють Джуронг Чжан з китайського університету Цзілінь та його колеги.

Тому дослідники застосували інший підхід до пошуку гелієвого резервуару: використовуючи спеціальну комп'ютерну програму, дослідники шукали мінерали заліза або магнію, які могли б зайняти гелій в екстремальних умовах надр Землі. Їх алгоритм спеціально шукав сполуки, які змінюються до енергетично більш сприятливого стану через реакцію з гелієм лише тоді, такий зв’язок також буде стабільним. дисплей

Залізо мінеральне як пастка гелію?

Результат: мінерали, що містять магній, не знайшли програму, але сполуки заліза це зробили. Розрахунки показали, що діоксид заліза (FeO 2 ) може утворювати стійкий гелій-вмісний мінерал FeO 2 He при температурі від 2720 до 4720 градусів і величезному тиску від 135 до 300 гігапаскалів.

Чи міг цей мінерал бути давно шуканим резервуаром гелію у надрах Землі? На думку дослідників, це було б цілком можливо. Умови, за яких FeO 2 Він стійкий, приблизно відповідають умовам на межі нижньої мантії до ядра Землі, як повідомляють Чжан та його команда. "Таким чином, мінерал FeO 2 Він був би першою і поки що єдиною гелієвою сполукою, яка може існувати в реальних геофізичних умовах", - кажуть дослідники.

Mantelplumes як ліфт гелію

Таким чином, летючий благородний газ міг тривати протягом мільярдів років у вигляді цього мінералу. Якщо цей запас мінерального гелію існує в глибокій мантії, це може пояснити, чому благородний газ виділяється лише на вулканах гарячої точки: мінерал гелій досить важкий, щоб за звичайних обставин знаходитися глибоко в мантії. залишаються. Лише на вулканічних точках, де мантійний шлейф транспортує велику кількість гірської породи від нижньої мантії вгору, зростає мінеральний гелій. Оскільки тиск і температура знижуються, кристалічна структура руйнується і виділяється газ гелію.

Його сейсмічні властивості також можуть говорити про існування мінералу, що містить гелій, глибоко у внутрішніх просторах Землі. У своїх комп'ютерних моделюваннях дослідники визначили, що FeO 2 He сповільнює землетрусні хвилі настільки ж, як і для нижньої. Мантія спостерігалася.

"Захоплюючий результат"

"Це захоплюючий результат - доки це можна підтвердити в лабораторних дослідженнях", - коментує геофізик Метт Джексон з Каліфорнійського університету Санта-Барбара, який не брав участі в дослідженні. Оскільки діоксид заліза та сполука оксиду заліза та водню вже були вироблені в лабораторних дослідженнях під високим тиском та високими температурами, технологічність та стабільність FeO 2 Він також може бути перевірений незабаром, говорить Співавтор Changfeng Chen з Університету Невади. (Листи з фізичного огляду 2019; doi: 10.1103 / PhysRevLett.121.255703)

Джерело: Американське фізичне товариство (APS)

- Надя Подбрегар