Извержения на Гавайях донесли до поверхности микроскопические капли древней магмы с необычно тяжелым изотопом углерода, которые, по оценкам геохимиков, просочились с границы ядра и мантии. Новое исследование указывает на то, что большая часть земного углерода прибыла с далеких окраин Солнечной системы в самом конце формирования планеты.
Долгое время геологи считали, что напрямую заглянуть в химический состав земного ядра и оценить изотопный портрет скрытого там углерода попросту невозможно. Но команда под руководством Ива Муссаллама из Земной обсерватории Ламонт-Доэрти при Колумбийском университете обратила внимание на гавайские лавы — в частности, на породы исторических извержений Кеанакакои (1500–1840 годы) и кратера Килауэа-Ики 1959 года.
Ключом к разгадке стали так называемые расплавные включения — крошечные капли расплавленной породы, которые когда-то оказались замурованы внутри растущих в магме кристаллов. Работают они как послание в запечатанной бутылке: каждый такой микроскопический «снимок» сохраняет химический состав глубинного вещества таким, каким оно было задолго до выхода на поверхность. Разные капли захватывают материал из неодинаковых участков вулканического плюма — горячего столба расплава и газа, поднимающегося из недр при извержении.
В образцах из тех частей вулканических плюмов, которые, по мнению исследователей, берут начало у границы между каменистой мантией и ядром, обнаружился уникальный избыток тяжелого изотопа углерода-13. Ученые интерпретируют этот сигнал как «утечку» углерода из самого ядра — и это первая в истории наблюдений оценка его изотопного состава.
Анализ изотопного следа позволил геологам не только зафиксировать утечку углерода из ядра, но и вычислить космическое происхождение этого элемента. Расчеты показали: углерод из земного ядра слишком тяжел для того, чтобы происходить из бедных углеродом каменистых пород внутренней области Солнечной системы, из которых сложилась основная масса нашей планеты.
Обнаруженная изотопная подпись идеально совпала с углистыми хондритами — богатыми углеродом метеоритами, прилетающими из внешней части Солнечной системы и содержащими воду и органические соединения. Выглядит это так, словно ключевой элемент успел запрыгнуть на формирующуюся планету буквально в последний вагон.
У вещества углистых хондритов существовало лишь одно узкое окно возможностей, чтобы успеть навсегда обосноваться в земном ядре — финальная стадия основной сборки планеты. Если бы углерод прибыл раньше, последующие мощные столкновения на этапе формирования Земли выбросили бы значительную его часть обратно в космос. Если бы метеориты опоздали и прилетели позже, ядро к тому моменту уже оказалось бы закрыто.
Новое исследование помогает не только разрешить давний научный спор о происхождении земного углерода, но и наметить новые задачи для вулканологии. Авторы работы отмечают, что обнаруженный глубинный след может пролить свет на роль углерода из ядра в периоды интенсивной вулканической активности.
При этом ученые сохраняют осторожность в формулировках и опираются на косвенные природные архивы, а не на прямые пробы с глубины. Их выводы строятся на предположении, что отдельные участки гавайских вулканических плюмов действительно несут материал из пограничной зоны между ядром и мантией, поэтому исследователи говорят именно об интерпретации изотопного сигнала и наиболее вероятном сценарии его происхождения.