Загадка глубины: почему внутреннее ядро Земли анизотропно

Учёные обнаружили, что внутреннее ядро нашей планеты обладает сложной слоистой структурой, влияющей на скорость распространения сейсмических волн. Новое исследование связывает это явление с изменением химического состава на разных глубинах.

Сейсмические исследования давно показали, что скорость продольных волн во внутреннем ядре зависит от направления: вдоль оси вращения Земли они распространяются на 3–4% быстрее, чем в экваториальной плоскости. Однако это свойство, называемое анизотропией, распределено неравномерно: центральные области демонстрируют более выраженный эффект (до 6%), тогда как внешние слои ядра — слабый (около 2%).

Международная группа исследователей решила выяснить причину этой разницы. Для этого они провели эксперименты с железо-кремний-углеродным сплавом — вероятным основным материалом земного ядра. Используя алмазные наковальни, образцы сдавливали до давления 128 ГПа (что соответствует условиям на границе внешнего и внутреннего ядра) и нагревали до 1100 К.

Радиальная рентгеновская дифракция позволила изучить пластическую деформацию гексагональной плотноупакованной фазы железа, в которую переходит сплав при таких экстремальных условиях. Учёные отслеживали изменение кристаллической решётки и формирование предпочтительной ориентации зёрен (текстуры).

Результаты показали, что сплав Fe-Si-C обладает значительно более низкой анизотропией упругих волн, чем чистое железо. Вычисленный показатель составил около 2%, что хорошо согласуется с данными сейсмологии для внешних областей внутреннего ядра.

Это открытие привело к гипотезе о химической стратификации. По мере роста внутреннего ядра из жидкого внешнего ядра, концентрация лёгких элементов (кремния и углерода) в кристаллизующемся веществе меняется. Ближе к центру планеты их меньше, что делает материал ближе по свойствам к чистому железу с высокой анизотропией. К периферии содержание Si и C увеличивается, снижая анизотропный эффект.

Моделирование методом EVPSC подтвердило, что доминирующим механизмом деформации в сплаве при условиях ядра является скольжение по базисной плоскости. Это позволяет экстраполировать лабораторные данные на реальные условия в недрах Земли.

Расчёты также дали оценку вязкости материала внутреннего ядра — от 10¹⁴ до 10¹⁸ Па·с. Эти значения попадают в диапазон, полученный из геофизических наблюдений, что подтверждает адекватность предложенной модели.

Таким образом, исследование впервые количественно связало глубинные вариации сейсмической анизотропии с радиальным градиентом химического состава. Это важный шаг к пониманию истории формирования и современной динамики земных недр, включая процессы генерации магнитного поля.