В 1980-х годах геофизики сделали поразительное открытие: глубоко в мантии под Землёй были обнаружены два куска необычного геологического материала размером с континент. Один, как выяснилось, находится под Африкой, а другой под Тихим океаном. Каждый этот объект в два раза больше Луны и, вероятно, и состоит из химических элементов, смешанных в иных пропорциях, нежели окружающая их земная мантия.
Откуда взялись эти странные сгустки вещества, официально названные большими «низкоскоростными» провинциями (или мантийными областями) или, по-английски, LLVPS? Новое исследование, проведенное исследователями Калифорнийского технологического института, предполагает, что они являются остатками древней планеты, которая сильно столкнулась с Землей миллиарды лет назад в результате того же гигантского удара, который создал нашу Луну.
Исследование, опубликованное в журнале Nature 1 ноября, также предлагает ответ на еще одну загадку древности.
Исследователи давно предполагали, что Луна образовалась в результате гигантского столкновения Земли с планетой меньшего размера, получившей название Тейя. Но никаких следов Тейи никогда не было обнаружено даже в поясе астероидов или в древних метеоритах на Земле. Это новое исследование предполагает, что большая часть Тейи была поглощена молодой Землей, в результате чего образовались те самые загадочные мантийные области, в то время как остаточные обломки от удара слились с Луной.
Ученые впервые обнаружили LLVPS, измерив сейсмические волны, проходящие через землю. Сейсмические волны распространяются с разной скоростью через разные материалы, и в 1980-х годах появились первые намеки на крупномасштабные трехмерные изменения глубоко в структуре Земли. В самых глубоких слоях мантии в структуре сейсмических волн преобладают сигнатуры двух крупных структур вблизи ядра Земли, которые, по мнению исследователей, обладают необычно высоким содержанием железа. Такое высокое содержание железа означает, что эти регионы плотнее, чем их окружение, что приводит к замедлению прохождения сейсмических волн через них и приводит к названию "большие низкоскоростные провинции".
Михаил Золотов, профессор Университета штата Аризона, ещё в 2019 году представил гипотезу о гигантском ударе, в то время как его китайские коллеги отметили, что Луна относительно богата железом. Золотов добавил, что не было обнаружено никаких следов ударного элемента, который, должно быть, столкнулся с Землей.
"Сразу после того, как Михаил сказал, что никто не знает, где сейчас находится источник удара, у меня был "момент эврики", и я понял, что он мог превратиться в сгустки мантии", - говорит Цянь Юань, научный сотрудник O.K. Earl Postdoctoral Scholar Research Associate в лабораториях Пола Асимоу.
Юань работал с междисциплинарными сотрудниками над моделированием различных сценариев химического состава Тейи и ее воздействия на Землю. Моделирование подтвердило, что физика столкновения могла привести к образованию как LLVPS, так и Луны. Часть мантии Тейи могла быть влиться в мантию Земли, где она в конечном счете слиплась и кристаллизовалась, образовав два отдельных сгустка, обнаруживаемых сегодня на границе ядра и мантии Земли; другие обломки от столкновения смешались вместе, образовав Луну.
Но почему вещество загадочной Тейи собралось в два отдельных сгустка вместо того, чтобы смешаться с остальной частью формирующейся планеты? Моделирование исследователей показало, что большая часть энергии, выделенной при ударе Тейи, осталась в верхней половине мантии, в результате чего нижняя мантия Земли стала холоднее, чем предполагалось в более ранних моделях удара с более низким разрешением.
Поскольку нижняя мантия не была полностью расплавлена в результате удара, капли богатого железом материала из Тейи остались в основном нетронутыми. Если бы нижняя мантия была более горячей (то есть, если бы она получила больше энергии от удара), она бы более тщательно смешалась с материалом, богатым железом, подобно тому, как, например, мы можем перемешать гуашевые краски.
Следующие шаги заключаются в изучении того, как раннее присутствие гетерогенного материала Тейи глубоко внутри Земли могло повлиять на внутренние процессы нашей планеты, такие как тектоника плит.
Источники информации
- Qian Yuan, Mingming Li, Steven J. Desch, Byeongkwan Ko, Hongping Deng, Edward J. Garnero, Travis S. J. Gabriel, Jacob A. Kegerreis, Yoshinori Miyazaki, Vincent Eke, Paul D. Asimow. Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies. Nature, 2023; 623 (7985): 95 DOI: 10.1038/s41586-023-06589-1
