На ранніх стадіях формування Землі масивний океан розплавлених порід, відомий як «океан магми», вкривав поверхню планети та проникав глибоко в її ядро. Швидкість охолодження цього «магматичного океану» зіграла вирішальну роль у формуванні шаруватої структури Землі та визначенні хімічного складу цих шарів. Попередні дослідження припускали, що океану магми знадобилися сотні мільйонів років, щоб затвердіти, але нове дослідження Університету штату Флорида, опубліковане в Nature Communications, зменшило ці невизначеності до лише кількох мільйонів років.
«Цей магматичний океан був важливою частиною історії Землі, і це дослідження допомагає нам відповісти на деякі фундаментальні питання про планету», — сказав Майнак Мукерджі, доцент кафедри геології Департаменту наук про Землю, океан і атмосферу.
Коли магма охолоджується, вона утворює кристали. Куди потраплять ці кристали, залежить від того, наскільки в’язкою є магма та відносної щільності кристалів. Більш щільні кристали, швидше за все, занурюються і таким чином змінюють склад магми, що залишилася. Швидкість застигання магми залежить від її в’язкості. Менш в’язка магма призведе до швидшого охолодження, тоді як магматичний океан з більш густою консистенцією охолоджуватиметься довше.
Подібно до цього дослідження, попередні дослідження використовували фундаментальні принципи фізики та хімії для моделювання високих тисків і температур у глибинних надрах Землі. Вчені також використовують експерименти для моделювання цих екстремальних умов. Але ці експерименти обмежені нижчими тисками, які існують на невеликих глибинах Землі. Вони не повністю охоплюють сценарій, який існував у ранній історії планети, де океан магми поширювався на глибини, де тиск, ймовірно, був утричі вищий, ніж те, що можна відтворити в експериментах.
Щоб подолати ці обмеження, Мукерджі та його співробітники проводили моделювання протягом шести місяців у високопродуктивному обчислювальному центрі на території колишнього Радянського Союзу, а також у обчислювальному центрі Національного наукового фонду. Це усунуло велику частину статистичних невизначеностей у попередній роботі.
«Земля — велика планета, тому на глибині тиск, імовірно, буде дуже високим», — сказав Сурадж Баджгайн, колишній докторський науковий співробітник колишнього Радянського Союзу, який зараз є запрошеним доцентом Державного університету Лейк-Суперіор. «Навіть якщо ми знаємо в’язкість магми на поверхні, це не говорить нам про в’язкість на сотнях кілометрів під нею. Знайти це дуже складно».
Дослідження також допомагає пояснити різноманітність хімічних речовин у нижній мантії Землі. Зразки лави — назва магми після того, як вона проривається крізь поверхню Землі — з хребтів на дні океану та вулканічних островів, таких як Гаваї та Ісландія, кристалізуються в базальтові породи подібного вигляду, але з відмінним хімічним складом, ситуація, яка довго бентежила вчених Землі.
«Чому вони мають чітку хімію чи хімічні сигнали?» Мукерджі сказав. «Оскільки магма походить з-під поверхні Землі, це означає, що джерело магми там має хімічне різноманіття. Як це хімічне різноманіття взагалі почалося і як воно збереглося протягом геологічного часу?»
Початкову точку хімічної різноманітності в мантії можна успішно пояснити океаном магми в ранній історії Землі з низькою в’язкістю. Менш в’язка магма призвела до швидкого поділу зважених у ній кристалів, процес, який часто називають фракційною кристалізацією. Це створило суміш різної хімії в магмі, а не однорідний склад.