Странные сгустки в глубокой мантии — останки древней планеты

Крупные низкоскоростные провинции (LLVP) в глубокой мантии Земли могут быть остатками тейского мантийного материала. Фото: Хунпин Дин и полевая студия Ханчжоу.

Исследование Калифорнийского технологического института предполагает, что две массивные, богатые железом структуры глубоко в мантии Земли являются остатками Тейи, древней планеты, которая столкнулась с Землей, создав также Луну. Это открытие отвечает на давние вопросы о происхождении Луны и судьбе Тейи.

В 1980-х годах геофизики сделали поразительное открытие: глубоко в центре Земли были обнаружены две капли необычного материала размером с континент: одна под африканским континентом и одна под Тихим океаном. Каждая точка примерно в два раза больше Луны и, вероятно, состоит из разных пропорций элементов по сравнению с окружающей мантией.

Большие, низкоскоростные активы округа

Откуда взялись эти странные сгустки, официально известные как Большие провинции с низкой скоростью (LLVP)? Новое исследование ученых из Калифорнийского технологического института предполагает, что это остатки древней планеты, которая яростно столкнулась с Землей миллиарды лет назад в результате того же гигантского удара, который породил нашу Луну.

Исследование опубликовано в журнале природа 1 ноября он также предложит ответ на еще одну загадку планетарной науки. Исследователи уже давно предполагали, что Луна возникла в результате гигантского столкновения Земли с меньшей планетой под названием Тейя, но никаких следов Тейи не было обнаружено ни в поясе астероидов, ни в метеоритах. Новое исследование предполагает, что большая часть Тейи была поглощена молодой Землей, образуя LLVP, а обломки, оставшиеся от столкновения, были поглощены Луной.

Визуализация Земли с большими «сгустками» плотной материи вблизи ядра Земли. Эти точки были открыты в 1980-х годах. Теперь исследователи предполагают, что на самом деле это остатки древней планеты Тейя, которая столкнулась с Землей и образовала Луну. Кредит: Эдвард Гарнеро

Методика и результаты исследования

Исследованием руководил Цянь Юань, постдокторант Оки Эрла в лабораториях Пола Азимо (MS ’93, доктор философии ’97), профессора геологии и геохимии Элеоноры и Джона Р. Макмиллана; и Майкл Джорнесс, профессор геофизики Джона Э. и Хейзел С. Смитс и руководитель кафедры Кларенса Р. Аллена, директор сейсмической лаборатории Калифорнийского технологического института и директор Академии разработки программного обеспечения Шмидта в Калифорнийском технологическом институте.

Ученые впервые обнаружили LLVP, измеряя сейсмические волны, проходящие через Землю. Сейсмические волны распространяются с разной скоростью через разные материалы, и в 1980-х годах появились первые намеки на крупномасштабные трехмерные вариации глубоко внутри структуры Земли. В более глубокой мантии в структуре сейсмических волн преобладают следы двух крупных структур вблизи ядра Земли, которые, по мнению исследователей, имеют необычно высокий уровень железа. Такое высокое содержание железа означает, что эти области более плотные, чем их окрестности, что приводит к замедлению проходящих через них сейсмических волн, что привело к названию «крупных низкоскоростных провинций».

Юань, геофизик по образованию, в 2019 году присутствовал на симпозиуме по формированию планет, который проводил Михаил Золотов, профессор Университета штата Аризона. Золотов представил гипотезу гигантского удара, а Цянь отметил, что Луна относительно богата железом. Золотов добавил, что никаких следов автомобиля обнаружено не было, который наверняка столкнулся с землей.

«Сразу после того, как Майкл сказал, что никто не знает, где сейчас находится ударный объект, у меня случился «момент эврики», и я понял, что богатый железом ударный объект мог превратиться в капли мантии», — говорит Юань.

Детальная симуляция столкновения Тейи с Землей. Хотя удар был сильным, он не был достаточно мощным, чтобы расплавить нижнюю мантию Земли, а это означает, что остатки Тейи могли сохраниться, а не смешаться однородно с материалом Земли. Фото: Хун Бин Дин

Юань работал с междисциплинарными коллегами над моделированием различных сценариев химического состава Тейи и ее воздействия на Землю. Моделирование подтвердило, что физика столкновения может привести к образованию как LLVP, так и Луны. Вполне возможно, что часть мантии Тейи была включена в мантию Земли, где она в конечном итоге объединилась и кристаллизовалась вместе, образовав две отдельные капли, которые сегодня можно обнаружить на границе мантии и ядра; Остальные обломки столкновения смешались и образовали Луну.

Последствия и будущие исследования

Учитывая такое сильное воздействие, почему материал Тейи собрался в двух отдельных местах, а не смешался с остальной частью формирующейся планеты? Моделирование исследователей показало, что большая часть энергии от удара Тейи осталась в верхней половине мантии, в результате чего нижняя мантия Земли оказалась более прохладной, чем предполагали предыдущие модели удара с низким разрешением. Поскольку нижняя мантия не была полностью расплавлена ​​в результате удара, капли богатого железом материала Тейи остались в основном нетронутыми, когда они просеялись к основанию мантии, подобно разноцветным комкам парафина в погасшей лавовой лампе. Если бы нижняя мантия была более горячей (то есть получила больше энергии от столкновения), она бы лучше смешивалась с материалами, богатыми железом, как цвета в горшке с краской.

Следующие шаги — изучить, как раннее присутствие гетерогенного материала Тейи глубоко в недрах Земли повлияло на внутренние процессы нашей планеты, такие как тектоника плит.

«Логическим следствием идеи о том, что LLVP являются остатками Тейи, является то, что они очень древние», — говорит Азимов. «Поэтому имеет смысл затем изучить, какие последствия они имели для ранней эволюции Земли, например, начало субдукции до того, как условия стали подходящими для современной тектоники плит, формирование первых континентов и происхождение древнейших тектонических плит. полезных ископаемых Земли».

Новое исследование отвечает на две давние загадки планетологии: что представляют собой гигантские загадочные «сгустки» материала вблизи ядра Земли и что случилось с планетой, которая столкнулась с Землей, чтобы создать Луну? Новое исследование Калифорнийского технологического института предполагает, что остатки этой древней планеты все еще существуют на Земле, что объясняет происхождение «сгустков» вблизи границы ядра и мантии.

Ссылка: «Столкновение при формировании Луны как источник аномалии базальной мантии Земли» Цянь Юань, Мингмин Ли и Стивен Дж. Деш, Бьюнг-Кван Ку, Хунпэн Дэн и Эдвард Дж. Гарнеро, Трэвис С.Дж. Габриэль и Джейкоб А. , Винсент Экке и Пол Д. Азимов, 32 октября 2023 г., природа.
дои: 10.1038/s41586-023-06589-1

Цянь Юань — первый автор. Помимо Юана и Азимо, еще одним соавтором в Калифорнийском технологическом институте является Ёсинори Миядзаки, постдокторант из Стэнбека, занимающийся сравнительной планетарной эволюцией. Дополнительными соавторами являются Мингминг Ли, Стивен Деш и Эдвард Гарнеро (доктор философии ’94) из Университета штата Аризона (ASU); Бюнгкван Ко из Университета штата Аризона и Университета штата Мичиган; Хунпин Дин из Китайской академии наук; Трэвис Габриэль из Геологической службы США; Джейкоб Кегерис НАСАИсследовательский центр Эймса; и Винсент Экке из Даремского университета. Финансирование было предоставлено Национальным научным фондом, постдокторской стипендией Аоки Эрла в Калифорнийском технологическом институте, Геологической службой США, НАСА и Центром сравнительной планетарной эволюции Калифорнийского технологического института.