Миллиарды лет назад Земля была раскаленным шаром, покрытым океаном жидкой магмы. Со временем она остыла и кристаллизовалась, образовав мантию - слой между корой и ядром. Сегодня глубинные потоки вещества, мантийные плюмы, поднимаются к поверхности и вызывают извержения. В такой лаве иногда находят водород из самых недр планеты.

Водород существует в двух стабильных формах: обычный легкий и более тяжелый дейтерий. В большинстве вулканических пород их соотношение примерно одинаковое. Но в лавах, связанных с глубинными плюмами, иногда встречается необычно низкая доля дейтерия - например, на Баффиновой Земле в Канадской Арктике и в Исландии.

Этот редкий состав вызвал научный спор. Одна гипотеза объясняет его застыванием древнего магматического океана. Другая предполагает, что водород с низким содержанием дейтерия просачивается из металлического ядра Земли.

Чтобы проверить версии, группа под руководством Вэньчжуна Вана из Китайского университета науки и технологий провела компьютерное моделирование условий на глубине тысяч километров. Ученые изучили, как две формы водорода ведут себя при охлаждении и кристаллизации расплава в разные минералы, а затем смоделировали распределение изотопов в ранней мантии.

Результаты, опубликованные в журнале Science Advances, показали: при застывании магматического океана две формы водорода распределялись по мантии относительно равномерно. Небольшие различия на разных глубинах были, но они не достигали аномально низких уровней дейтерия, наблюдаемых в вулканических породах. "Наши результаты демонстрируют, что кристаллизация магматического океана не приводит к существенному фракционированию изотопов водорода в мантии Земли", - пишут авторы.

Значит, застывание магматического океана не может объяснить необычные сигнатуры. Поэтому исследователи склоняются к версии утечки из ядра: водород с низкой долей дейтерия, вероятно, просачивался из металлического ядра в мантию на протяжении миллиардов лет.

Есть и еще одна подсказка. Некоторые из этих пород отличаются необычно высоким соотношением изотопов гелия-3 и гелия-4. Гелий-3 - редкая форма гелия, которая могла сохраниться в ядре с древнейших времен.

Хотя данные усиливают аргументы в пользу утечки водорода из ядра, точный механизм переноса вещества из ядра в мантию остается неясным. "Выяснение механизмов, с помощью которых сигнатуры ядра передаются в мантию, остается важной задачей будущих исследований", - отмечают авторы.

Важно подчеркнуть: исследование основано на компьютерном моделировании, а не на прямых наблюдениях. Оно не доказывает причинно-следственную связь, а лишь показывает, что наблюдаемые соотношения изотопов лучше согласуются с гипотезой утечки из ядра, чем с альтернативой.

Источник: Phys.org