Дослідник з Університету Рутгерса та його колеги пов’язали незвичайні геологічні аномалії з розплавленим походженням Землі та її унікальною придатністю для життя. Протягом багатьох років дослідники намагалися зрозуміти два величезні та загадкові утворення, заховані глибоко в надрах Землі. Їхні величезні розміри та незвичайні риси ускладнюють їх узгодження з традиційними уявленнями про розвиток планети.
Нещодавнє дослідження, опубліковане в журналі Nature Geoscience під керівництвом геодинаміка з Університету Рутгерса Йошінорі Міядзакі разом з кількома колегами, пропонує переконливу нову інтерпретацію цих структур і того, як вони могли вплинути на довгострокову придатність Землі для життя.
Ці утворення, які називаються великими провінціями з низькою швидкістю зсуву та зонами наднизької швидкості, розташовані на межі між мантією та ядром, майже на 1800 миль нижче поверхні. Великі провінції з низькою швидкістю зсуву – це величезні області надзвичайно гарячих і щільних порід, одна з яких розташована під Африкою, а інша – під Тихим океаном. Зони наднизької швидкості виглядають як тонкі розплавлені плями, що знаходяться безпосередньо на ядрі, нагадуючи калюжі лави. Обидва типи значно уповільнюють сейсмічні хвилі, що вказує на те, що їхній хімічний склад відрізняється від навколишньої мантії.
«Це не випадкові дивацтва», — сказав Міядзакі, доцент кафедри наук про Землю та планети в Школі мистецтв і наук Рутгерса. «Це відбитки найдавнішої історії Землі. Якщо ми зможемо зрозуміти, чому вони існують, ми зможемо зрозуміти, як утворилася наша планета і чому вона стала придатною для життя».
Планета, народжена з магматичного океану
За словами Міядзакі, колись мільярди років тому Земля була оповита глобальним магматичним океаном. У міру охолодження планети вчені очікували, що мантія розвинуться в окремі шари різного хімічного складу, подібно до того, як замерзлий сік розділяється на цукровий шар і водянистий шар. Однак сейсмічні спостереження показують, що такий чіткий шар ніколи не утворювався. Натомість, поблизу нижньої частини мантії накопичувалися великі провінції з низькою швидкістю зсуву та зони наднизької швидкості у вигляді нерегулярних скупчень.
«Ця суперечність була відправною точкою», — сказав Міядзакі. «Якщо ми почнемо з океану магми та проведемо розрахунки, то не отримаємо того, що бачимо сьогодні в мантії Землі. Чогось бракувало».
Його колеги дійшли висновку, що відсутній елемент — це саме ядро. Їхня модель припускає, що протягом мільярдів років такі елементи, як кремній і магній, просочувалися з ядра в мантію, змішуючись з ним і запобігаючи утворенню сильного хімічного нашарування. Це вливання може пояснити дивний склад великих провінцій з низькою швидкістю зсуву та зон наднизької швидкості, які можна розглядати як затверділі залишки того, що вчені назвали «базальним магматичним океаном», забрудненим матеріалом ядра.
«Ми припустили, що це може бути результатом витоку матеріалу з ядра», — сказав Міядзакі. «Якщо додати основний компонент, це може пояснити те, що ми бачимо зараз».
Наслідки для еволюції та придатності Землі для життя
За словами Міядзакі, це відкриття стосується не лише хімії глибоких шарів Землі. Взаємодія ядра та мантії, можливо, вплинула на те, як Земля охолоджувалася, як розгорталася вулканічна активність і навіть як еволюціонувала атмосфера. Це може допомогти пояснити, чому на Землі є океани та життя, тоді як Венера — це розпечений парник, а Марс — замерзла пустеля.
«На Землі є вода, життя та відносно стабільна атмосфера», – сказав Міядзакі. «Атмосфера Венери в 100 разів товстіша за земну і складається переважно з вуглекислого газу, а Марс має дуже тонку атмосферу. Ми не до кінця розуміємо, чому це так. Але те, що відбувається всередині планети, тобто як вона охолоджується, як еволюціонують її шари, може бути значною частиною відповіді».
Інтегруючи сейсмічні дані, фізику мінералів та геодинамічне моделювання, дослідження переосмислило великі провінції з низькою швидкістю зсуву та зони наднизької швидкості як важливі ключі до формування Землі. Ці структури можуть навіть живити вулканічні гарячі точки, такі як Гаваї та Ісландія, пов’язуючи глибини Землі з її поверхнею.
«Ця робота є чудовим прикладом того, як поєднання планетарної науки, геодинаміки та фізики мінералів може допомогти нам розгадати деякі з найдавніших загадок Землі», — сказав Цзе Ден з Принстонського університету , співавтор дослідження. «Ідея про те, що глибока мантія все ще може нести хімічну пам’ять про ранні взаємодії ядра та мантії, відкриває нові шляхи розуміння унікальної еволюції Землі».
Спираючись на цю ідею, дослідники кажуть, що кожен новий доказ допомагає заповнити прогалини в ранній історії Землі, перетворюючи розрізнені підказки на чіткішу картину її еволюції.
«Навіть маючи дуже мало підказок, ми починаємо будувати історію, яка має сенс», — сказав Міядзакі. «Це дослідження дає нам трохи більше впевненості в тому, як еволюціонувала Земля і чому вона така особлива».