Istraživači su u Njemačkoj razvili novu metodu proučavanja uzoraka visokog tlaka u laboratoriju. Njihov pristup – koji koristi rendgensku emisijsku spektrografiju – podupire ideju da je magma u Zemljinom donjem plaštu stabilizirana nakupljanjem teških elemenata.
Magma se uzdiže u Zemljinoj kori jer je manje gusta od okolnog materijala istog sastava. Međutim, magma u Zemljinom donjem plaštu izgleda stabilnija, što sugerira da ima sličnu gustoću u svojoj okolini. Predloženo je, dakle, da je ili magma u plaštu obogaćena teškim elementima kao što je željezo ili da pri ekstremnim pritiscima poseban mehanizam zbijanja povećava gustoću magme.
Kako bi istražili kako se materijali ponašaju u dubinama plašta, istraživači stvaraju ekstremne pritiske u laboratoriju komprimiranjem uzoraka u dijamantskom nakovnju. X-zrake – dovoljno energetske da prođu kroz uzorak i dovoljno kratke u valnoj duljini kako bi razriješile detalje u atomskom mjerilu – tada se koriste za određivanje strukture uzorka. Dvije takve metode tradicionalno se koriste u istraživanjima pod visokim tlakom, pri čemu se jedna temelji na apsorpciji X-zraka, a druga na njihovoj difrakciji dok prolaze kroz uzorak.
Energija i intenzitet
Georg Spiekermann sa Sveučilišta u Potsdamu i kolege razvili su treću rendgensku metodu koja može odrediti duljinu atomskih veza u neuređenoj tvari i broj izravnih susjeda koje atom ima – takozvani “koordinacijski broj”. Povećanje koordinacijskog broja pod visokim tlakom bio bi jedan od znakova pojačanog mehanizma zbijanja. Novi pristup djeluje tako što uzbuđuje uzorak rendgenskim zrakama, a zatim analizira emitirano zračenje. Energija i intenzitet pojedine emisijske linije – nazvanog Kβ – – može se koristiti za određivanje koordinacijskog broja i udaljenosti povezivanja.
Koristeći izvor rendgenskih zraka PETRA III na DESY u Njemačkoj, znanstvenici su tu tehniku primijenili na komprimirani amorfni germanij dioksid – čija je struktura analogna onoj glavnog sadržaja magme, silicijevog dioksida. Otkrili su da čak i pri tlakovima od 100 GPa (koji se nalaze u plaštu na dubini od 2200 km), atomi germanij nemaju više od šest susjeda. To je slično onome mjerenom na 15 GPa, što ne upućuje na poseban mehanizam zbijanja.
Dalekosežne posljedice
“Prenoseći to u silikatne magme u donjem plaštu Zemlje, to znači da se magme s gustoćom jednakom ili većom od one u okolnim kristalima mogu postići samo obogaćenjem teških elemenata kao što je željezo”, objašnjava Spiekermann. “Sastav i struktura donjeg plašta ima dalekosežne posljedice za globalni transport topline i za magnetsko polje Zemlje.”
James Drewitt, geofizičar sa Sveučilišta u Bristolu, komentira: “Ovo je zanimljiv rezultat jer smanjuje vjerojatnost prelijevanja gustoće između oksida magme i okolnog čvrstog dubokog plašta”.
Drewitt, koji nije bio uključen u istraživanje, također ističe da je “ovaj rezultat u izravnom sukobu s nedavnim sinkrotronskim rendgenskim difrakcijskim mjerenjima i germanijevog dioksida i silicij dioksida stakla pod visokim tlakom”. Ove studije ukazuju na to da se lokalne strukturne jedinice s više od šest atoma kisika javljaju na ultra visokim tlakovima. Iako je potrebno više istraživanja kako bi se riješila ova kontroverza, zaključuje on, novi pristup predstavlja važan alat za proučavanje dubokih planetarnih interijera.
Nakon završetka studije, Spiekermann i njegovi kolege razmatraju složenije materijale, poput onih koji, poput prirodnih silikatnih talina, sadrže modificirajuće oksidne spojeve. Proučavanje tih uvjeta zahtijeva razmatranje ne samo najbližeg susjeda atoma, već i atoma koji su nešto dalje u “drugoj koordinacijskoj ljusci”.
“Na primjer, stupanj polimerizacije mreže je drugi efekt koordinacijske ljuske”, primjećuje Spiekermann dodajući: “U budućnosti ćemo pokazati da je Kβ osjetljiv na stupanj polimerizacije stakla, što je izvan mogućnosti drugih rendgenskih tehnika. ”
Istraživanje je opisano u časopisu Physical Review X.
Izvor: https://physicsworld.com/a/x-rays-suggest-lower-mantle-magma-could-be-stabilized-by-heavy-elements/
