Skrytá zásobáreň mangánu pod našimi nohami mohla ovplyvniť dejiny Zeme. Vedci ju spájajú s obdobím, keď planéta získala kyslík
Hlboko v Zemi sa môže ukrývať zvláštna forma mangánu. Podľa novej štúdie môže súvisieť so spomalenými seizmickými vlnami aj dávnymi mangánovými rudami.
Keď Zemou prejde silné zemetrasenie, jej vnútro sa na chvíľu dá čítať podobne ako telo pri vyšetrení. Seizmické vlny prechádzajú cez horniny, kovové jadro aj zvláštne vrstvy na hranici medzi nimi. Niekde zrýchlia, inde sa ohnú a na niektorých miestach sa spomalia viac, než by sa čakalo. Práve tieto spomalené oblasti patria medzi veľké záhady hlbokej Zeme. Nová štúdia teraz naznačuje, že časť odpovede môže súvisieť s formou mangánu, ktorú vedci doteraz nebrali do úvahy.
Výskum publikovaný v časopise Physical Review B opisuje zlúčeninu Mn4O. Na prvý pohľad ide o zvláštnu kombináciu, pretože obsahuje veľa mangánu a pomerne málo kyslíka. Na tému upozornil server phys.org.
Podľa výpočtov môže byť stabilná od bežného tlaku až po približne 150 GPa (približne 1,5 milióna atmosfér pri hladine mora), teda do extrémnych podmienok hlbokého zemského plášťa. Nejde však o látku, ktorú by výskumníci fyzicky vytiahli z hlbín planéty. Zatiaľ ide o zlúčeninu opísanú výpočtovým modelom, ktorá by mohla pomôcť vysvetliť chemické aj seizmické zvláštnosti pri hranici plášťa a jadra.
Mangán v hlbinách Zeme môže fungovať inak, než ho poznáme z povrchu
Mangán si väčšina ľudí spojí skôr s rudami, batériami alebo oceľou. V geológii je však zaujímavý najmä tým, že dokáže meniť svoj chemický stav podľa prostredia. Inak sa správa pri povrchu, inak v oceánskej kôre a úplne inak môže reagovať pod tlakom, ktorý si bežný človek nevie predstaviť. Autori preto skúmali, či v hlbokom plášti nemôžu existovať aj také formy mangánu, ktoré v bežných podmienkach nevidíme.
Model ich priviedol nielen k Mn4O, ale aj k novej vysokotlakovej forme Mn3O4. Tá by mala byť stabilná až nad 72 GPa. Simulácie zároveň ukázali, že obe fázy môžu zostať pevné v širokom rozsahu tlakov a teplôt, ktoré zodpovedajú hlbokému plášťu. Pri tlakoch okolo hranice jadra a plášťa majú byť stabilné aj pri teplotách približne 4 000 K. To je dôležité, pretože ak má nejaká látka ovplyvňovať správanie Zeme v hĺbke tisícov kilometrov, musí tam vôbec prežiť. Nestačí, aby vyzerala dobre na papieri pri jednej ideálnej hodnote tlaku.
Neprehliadni
Pre mierku, jeden gigapascal je približne desaťtisícnásobok atmosférického tlaku pri hladine mora. Hodnoty desiatok až stoviek GPa preto nehovoria o bežnom tlaku, ale o prostredí, kde sa atómy tlačia do usporiadaní, ktoré by na povrchu Zeme nevydržali. Práve tam sa z obyčajne známeho prvku môže stať úplne iný geologický hráč.
Podstatná je aj chémia. Mn4O podľa autorov nemusí vznikať jednoduchou oxidáciou čistého mangánu. Skôr môže ísť o lokálne redoxné reakcie, pri ktorých si prvky odovzdávajú elektróny a menia svoj chemický stav. Do hry vstupuje materiál z povrchu, ktorý sa pri pohybe tektonických dosiek môže ponoriť hlboko do Zeme. Keď sa jedna doska podsúva pod druhú, berie so sebou aj horniny s viazanou vodou a oxidovanými látkami. Práve tie môžu v hlbinách priniesť zložky, ktoré tam následne spustia chémiu neviditeľnú na povrchu.
Pri hranici jadra a plášťa sa seizmické vlny správajú zvláštne
Najzaujímavejšia časť štúdie sa týka oblastí známych ako ultranízkorychlostné zóny. Nachádzajú sa pri hranici plášťa a jadra a seizmické vlny cez ne prechádzajú pomalšie, než by sa očakávalo pri jednoduchom zložení hornín. Nové výpočty naznačujú, že Mn4O a vysokotlaková forma Mn3O4 majú nízku rýchlosť šírenia zvuku. Ak sa v takýchto miestach skutočne nachádzajú, mohli by prispievať k spomaleniu seizmických vĺn.
Netreba si to predstaviť tak, že celý spodný plášť je plný mangánu. Autori sami upozorňujú, že mangánu je v plášti málo, preto by jeho vplyv bol skôr regionálny. Mn4O by sa navyše podľa modelu mohla vďaka svojej hustote udržať nad železom v blízkosti hranice jadra a plášťa. Inými slovami, nejde o univerzálne vysvetlenie pre celú Zem, ale o možný dôvod, prečo niektoré hlboké oblasti vyzerajú v seizmických dátach inak než ich okolie.
Zem sa okysličila a mangánové rudy pribúdali. Stopa môže viesť do hlbín
Pred približne 2,4 miliardami rokov sa atmosféra Zeme začala výrazne meniť. Kyslíka pribúdalo a planéta vstúpila do obdobia známeho ako Veľká oxidačná udalosť. V geologickom zázname sa v rovnakom čase objavuje aj nárast mangánových rúd. Práve toto spojenie je dôležité. Ak sa mangán predtým ukladal alebo menil aj v hlbokom plášti, povrchové ložiská nemusia byť len jednoduchým dôsledkom toho, čo sa dialo v oceánoch a atmosfére.
Podľa navrhovaného scenára sa Mn4O môže vytvárať hlboko v Zemi a neskôr sa cez pomalé prúdenie plášťa dostať späť bližšie k povrchu. Tam by sa v prostredí s vyššou dostupnosťou kyslíka oxidovala na bežné mangánové rudy. Takýto mechanizmus by mohol vysvetliť, prečo sa počas Veľkej oxidačnej udalosti mangánové ložiská začali ukladať rýchlo a vo veľkom rozsahu.
Stále však platí, že ide o model, nie o definitívne potvrdený proces. Vedci budú musieť podobné fázy overiť experimentálne a skúmať ich v realistickejších systémoch, kde okrem mangánu a kyslíka vstupuje do hry aj železo, kremík alebo horčík. Aj tak štúdia ukazuje zaujímavú vec. Hlbiny Zeme nemusia byť len vzdialené a nehybné vnútro planéty, ale aktívny chemický priestor, ktorý môže po miliardách rokov zanechať stopu aj v horninách na povrchu.
