Исследователи нашли в древнейших породах Гренландии, Канады и Южной Африки следы вещества с «внеземным» соотношением изотопов. По их мнению, его принесла прото-Земля — предшественник нашей планеты, предположительно существовавший до ее столкновения с другой планетой и образования Луны.
Приблизительно 4,5 миллиарда лет назад наша планета была похожа на кипящий лавовый шар, слепленный из газа и пыли в хаотичном диске молодой Солнечной системы. Считается, что нынешний облик Земля обрела после столкновения с гипотетической планетой Тейей — объектом размером с Марс, который мог состоять из вещества, схожего с углеродистыми хондритами. Столкновение было настолько мощным, что расплавило недра прото-Земли, фактически изменив ее химический состав, а из обломков, как полагают некоторые группы ученых, сформировалась Луна.
Чтобы понять, сохранились ли в мантии нашей планеты следы ее предшественницы, геологи под руководством Да Вана (Da Wang) из Технологического университета Чэнду (Китай) и Николь Ни (Nicole X. Nie) из Массачусетского технологического института (США) проанализировали образцы мафических (базальтовых) пород из нескольких геологических регионов, включая древнейшие участки земной коры и современные вулканические источники.
Мафические породы отобрали из уже известных геологических коллекций, описанных в предыдущих полевых экспедициях. В них вошли образцы, обнаруженные в древних кристаллических комплексах — поясе Исуа (Гренландия), зеленокаменном поясе Нуввуагиттук (Канада) и кратоне Каапвааль (Южная Африка). Все породы охватывали материалы, происходящие из разных глубин и временных пластов земной мантии.
Дополнительно ученые проанализировали современные базальты с острова Реюньон (Индийский океан) и подводного вулкана Камаэхуаканалоа (Гавайи). Дело в том, что магма в этих регионах поднимается из глубинных резервуаров мантии и представляет собой современное «окно» в прошлое нашей планеты.
Затем, применив метод масс-спектрометрии с термической ионизацией (TIMS), ученые с высокой точностью определили соотношение трех изотопов калия — ³⁹К (самый распространенный), ⁴⁰К (самый редкий) и ⁴¹К (встречается в малой доле) — атомов одного и того же элемента (калия) с разным числом нейтронов.
Поскольку калий относится к литофильным (камнеобразующим) элементам и содержится в твердых породах, а не в металлах или газах, его изотопный состав отражает историю формирования и изменений земной коры и мантии. В таких измерениях важна точность вплоть до десятых долей миллионной доли: различия между современным веществом Земли и остатками прото-Земли чрезвычайно малы и обнаружить их сложно.
По итогу ученые выявили небольшой, но устойчивый дефицит ⁴⁰К в части мафических пород из поясов Исуа и Нуввуагиттук, а также некоторых современных базальтов из Реюньона и Гавайев. Он указал на существование глубинного резервуара вещества, сформированного до гигантского столкновения и хранившегося в земной мантии.
Затем Ван и Ни сравнили наблюдаемые соотношения с моделями смешения вещества Земли и метеоритов. Результаты показали, что современный химический состав мантии можно воспроизвести, предположив, что дефицит ⁴⁰К до столкновения прото-Земли с Тейей составил примерно —0,65 миллионной доли, а после к этому количеству добавилось около 9-12% метеоритного вещества с более высоким содержанием ⁴⁰К. Значит, примерно 25% всего калия в земной мантии может иметь внеземное происхождение.
Таким образом, авторы научной работы, опубликованной в журнале Nature Geoscience,
подтвердили, что в недрах нашей планеты присутствуют неразмешанные участки первичной мантии прото-Земли. Последние, как оказалось, до сих пор участвуют в вулканических процессах в Реюньоне и на Гавайях.
«Эти области дают нам возможность „увидеть“ сохранившиеся фрагменты древней Земли», — подытожила Николь Ни.