Массивная аномалия в мантии Земли может быть остатком столкновения, которое сформировало Луну, сообщает «phys.org». Новое исследование предлагает важные новые идеи не только о внутренней структуре Земли, но и о ее долгосрочной эволюции и формировании внутренней части Солнечной системы.
Образование Луны было постоянной загадкой для нескольких поколений ученых. Господствующая теория предполагает, что на поздних стадиях роста Земли, примерно 4,5 миллиарда лет назад, произошло массивное столкновение, известное как «гигантский удар», между первичной Землей (Гайей) и протопланетой размером с Марс, известной как Тейя. Считается, что Луна образовалась из обломков, образовавшихся в результате этого столкновения.
Численное моделирование показало, что Луна, вероятно, унаследовала материал в основном от Тейи, в то время как Гайя, из-за своей гораздо большей массы, была лишь слегка загрязнена материалом Тейя.
Поскольку Гайя и Тейя были относительно независимыми образованиями и состояли из разных материалов, теория предполагала, что Луна, в которой доминирует вещество Тейя, и Земля, где доминирует материал Гайи, должны иметь различный состав. Тем не менее, высокоточные изотопные измерения позже показали, что состав Земли и Луны удивительно похож, что бросает вызов традиционной теории формирования Луны.
Несмотря на то, что впоследствии были предложены различные усовершенствованные модели гигантского удара, все они столкнулись с проблемами.
Чтобы усовершенствовать теорию формирования Луны, ученые начали проводить исследования формирования Луны в 2017 году. Они сосредоточились на разработке нового метода вычислительной гидродинамики под названием Meshless Finite Mass (MFM), который превосходно справляется с точным моделированием турбулентности и смешивания материалов.
В результате было обнаружено, что ранняя Земля демонстрировала слоистость мантии после удара, при этом верхняя и нижняя мантия имели разный состав и состояние. В частности, верхняя мантия представляла собой океан магмы, образовавшийся в результате тщательного перемешивания материала из Гайи и Тейи, в то время как нижняя мантия оставалась в значительной степени твердой и сохраняла материальный состав Гайи.
Предыдущие исследования уделяли чрезмерное внимание структуре диска обломков (предшественника Луны) и упускали из виду влияние гигантского столкновения на раннюю Землю.
Ученые поняли, что эта мантийная стратификация, возможно, сохранилась и по сей день, что соответствует глобальным сейсмическим отражателям в средней мантии (расположенной на глубине около 1000 км под поверхностью Земли).
Другим примером неоднородности мантии Земли являются две аномальные области, называемые Большими Низкоскоростными Провинциями (LLVP), которые простираются на тысячи километров у основания мантии. Одна из них расположена под Африканской тектонической плитой, а другая – под Тихоокеанской тектонической плитой. При прохождении сейсмических волн через эти области скорость волн значительно снижается.
«Наши результаты бросают вызов традиционному представлению о том, что гигантский удар привел к гомогенизации ранней Земли», — сказал ведущий автор исследования. «Вместо этого, гигантский удар, образующий Луну, по-видимому, является источником ранней неоднородности мантии и знаменует собой отправную точку для геологической эволюции Земли в течение 4,5 миллиардов лет».
LLVP имеют существенное значение для эволюции мантии, разделения и агрегации суперконтинентов, а также структуры тектонических плит Земли. Однако их происхождение так и осталось загадкой.
Благодаря глубокому анализу предыдущих симуляций гигантских столкновений и проведению более точных новых симуляций, исследовательская группа обнаружила, что значительное количество материала мантии Тейана, примерно 2% массы Земли, вошло в нижнюю мантию Гайи.
Исследовательская группа также подсчитала, что этот материал теейской мантии, похожий на лунные породы, обогащен железом, что делает его более плотным, чем окружающий материал Гайи. В результате он быстро опустился на дно мантии и в ходе длительной мантийной конвекции сформировал две заметные области LLVP. Эти LLVP оставались стабильными на протяжении 4,5 миллиардов лет геологической эволюции.
Неоднородность в глубокой мантии, будь то в рефлекторах средней мантии или LLVP в основании, говорит о том, что недра Земли далеки от однородной и «скучной» системы. На самом деле, небольшое количество глубоко залегающей неоднородности может быть вынесено на поверхность мантийными плюмами — цилиндрическими тепловыми потоками, вызванными мантийной конвекцией, — такими, которые, вероятно, сформировали Гавайи и Исландию.
Например, геохимики, изучающие изотопные соотношения редких газов в образцах исландского базальта, обнаружили, что эти образцы содержат компоненты, отличные от типичных поверхностных материалов. Эти компоненты являются остатками гетерогенности в глубокой мантии, насчитывающей более 4,5 миллиардов лет, и служат ключом к пониманию начального состояния Земли и даже формирования близлежащих планет.
Благодаря точному анализу более широкого спектра образцов горных пород в сочетании с более точными моделями гигантских столкновений и моделями эволюции Земли, мы можем сделать вывод о составе материала и орбитальной динамике первичной Земли, Гайи и Тейи. Это позволяет нам ограничить всю историю формирования внутренней части Солнечной системы».
Это исследование даже дает вдохновение для понимания формирования и обитаемости экзопланет за пределами нашей Солнечной системы.