Ученые долгое время пытались разгадать тайну двух огромных и загадочных образований, скрытых глубоко внутри Земли. Их колоссальные размеры и необычные свойства не укладываются в общепринятые представления о том, как формировалась наша планета.
Новое исследование, опубликованное в журнале «Nature Geoscience», предлагает убедительную интерпретацию этих структур и объясняет, как они могли повлиять на долгосрочную обитаемость Земли.
Эти образования, называемые большими провинциями с низкой скоростью сдвига и зонами ультранизкой скорости, расположены на границе между мантией и ядром, на глубине около 2900 километров под поверхностью. Большие провинции с низкой скоростью сдвига – это обширные регионы чрезвычайно горячей и плотной породы, одна из которых находится под Африкой, а другая – под Тихим океаном. Зоны ультранизкой скорости выглядят как тонкие расплавленные участки, расположенные непосредственно на ядре и напоминающие бассейны лавы. Оба типа значительно замедляют сейсмические волны, что указывает на отличие их химического состава от окружающей мантии.
«Это не случайные странности, – говорит Йошинори Миядзаки, доцент кафедры наук о Земле и планетах Ратгерского университета. – Это отпечатки самой ранней истории Земли. Если мы поймем, почему они существуют, мы сможем понять, как сформировалась наша планета и почему она стала пригодной для жизни».
Планета, рожденная из океана магмы
По мнению Миядзаки, миллиарды лет назад Земля была окутана глобальным океаном магмы. По мере охлаждения планеты ученые ожидали, что мантия разделится на отдельные слои с разным химическим составом, подобно тому, как замороженный сок разделяется на слой сахара и слой воды. Однако сейсмические наблюдения показывают, что такого четкого расслоения так и не произошло. Вместо этого большие провинции с низкой скоростью сдвига и зоны ультранизкой скорости накапливались в виде неправильных скоплений вблизи нижней части мантии.
«Это противоречие стало отправной точкой, – говорит Миядзаки. – Если мы начнем с океана магмы и проведем расчеты, мы не получим того, что видим в мантии Земли сегодня. Чего-то не хватало».
Его коллеги пришли к выводу, что недостающим элементом является само ядро. Их модель предполагает, что на протяжении миллиардов лет такие элементы, как кремний и магний, просачивались из ядра в мантию, смешиваясь с ней и предотвращая сильное химическое расслоение. Эта инфузия могла бы объяснить странный состав больших провинций с низкой скоростью сдвига и зон ультранизкой скорости, которые можно рассматривать как затвердевшие остатки так называемого «базального океана магмы», загрязненного материалом ядра.
«Мы предположили, что это может быть связано с материалом, вытекающим из ядра, – говорит Миядзаки. – Если добавить компонент ядра, это могло бы объяснить то, что мы видим сейчас».
Последствия для эволюции и обитаемости Земли
По словам Миядзаки, это открытие касается не только глубинной химии Земли. Взаимодействие ядра и мантии могло повлиять на то, как охлаждалась Земля, как развивалась вулканическая активность и даже как эволюционировала атмосфера. Это могло бы объяснить, почему на Земле есть океаны и жизнь, в то время как Венера – это обжигающая теплица, а Марс – замерзшая пустыня.
«На Земле есть вода, жизнь и относительно стабильная атмосфера, – говорит Миядзаки. – Атмосфера Венеры в 100 раз толще земной и состоит в основном из углекислого газа, а у Марса очень тонкая атмосфера. Мы не до конца понимаем, почему это так. Но то, что происходит внутри планеты, то есть как она охлаждается, как развиваются ее слои, может быть важной частью ответа».
Объединив сейсмические данные, физику минералов и геодинамическое моделирование, исследование переосмыслило большие провинции с низкой скоростью сдвига и зоны ультранизкой скорости как важнейшие ключи к процессам формирования Земли. Эти структуры могут даже питать вулканические горячие точки, такие как Гавайи и Исландия, связывая глубинные слои Земли с ее поверхностью.
«Эта работа – отличный пример того, как сочетание планетарной науки, геодинамики и физики минералов может помочь нам разгадать некоторые из древнейших тайн Земли, – говорит Цзе Дэн из Принстонского университета, соавтор исследования. – Идея о том, что глубинная мантия все еще может нести химическую память о раннем взаимодействии ядра и мантии, открывает новые пути для понимания уникальной эволюции Земли».
Основываясь на этой идее, исследователи говорят, что каждое новое доказательство помогает заполнить пробелы в ранней истории Земли, превращая разрозненные ключи в более четкую картину ее эволюции.
«Даже с очень небольшим количеством подсказок мы начинаем строить историю, которая имеет смысл, – говорит Миядзаки. – Это исследование дает нам немного больше уверенности в том, как эволюционировала Земля и почему она такая особенная».
