На протяжении десятилетий учёные озадачены двумя огромными загадочными структурами, спрятанными глубоко внутри Земли. Их особенности настолько масштабны и необычны, что они не поддаются традиционным моделям эволюции планет.
Недавно в журнале Nature Geoscience было опубликовано исследование геодинамика Ёсинори Миядзаки из Ратгерского университета в сотрудничестве с коллегами. В работе представлено новое объяснение этих аномалий и их роли в формировании способности Земли поддерживать жизнь.
Что это за структуры?
Структуры, известные как большие провинции с низкой скоростью сдвига и ультранизкоскоростные зоны, расположены на границе между мантией Земли и её ядром, почти на глубине 1800 миль от поверхности. Большие провинции с низкой скоростью сдвига представляют собой сгустки плотной горячей породы размером с континенты. Одна находится под Африкой, другая — под Тихим океаном. Ультранизкоскоростные зоны — это тонкие расплавленные участки, прилипшие к ядру, словно лужицы лавы. Оба типа структур значительно замедляют сейсмические волны, сигнализируя об их необычном составе.
«Это не просто случайные странности, — сказал Миядзаки, доцент кафедры наук о Земле и планетах в Школе искусств и наук Ратгерского университета. — Это отпечатки пальцев древнейшей истории Земли. Если мы поймём, почему они существуют, мы сможем понять, как сформировалась наша планета и почему она стала пригодной для жизни».
Как Земля стала обитаемой?
Миллиарды лет назад Земля была покрыта глобальным океаном магмы, как утверждает Миядзаки. По мере охлаждения учёные ожидали, что в мантии сформируются отчётливые химические слои, подобно тому как замороженный сок разделяется на сладкий концентрат и водянистый лёд. Однако сейсмические исследования не показывают такого сильного расслоения. Вместо этого большие провинции с низкой скоростью сдвига и ультранизкоскоростные зоны образуют неправильные скопления у основания планеты.
«Это противоречие стало отправной точкой, — сказал Миядзаки. — Если мы начнём с океана магмы и проведём расчёты, мы не получим того, что видим в мантии Земли сегодня. Чего-то не хватало».
Роль ядра
Его коллеги пришли к выводу, что недостающим элементом является само ядро. Их модель предполагает, что в течение миллиардов лет такие элементы, как кремний и магний, просачивались из ядра в мантию, смешиваясь с ней и предотвращая сильное химическое расслоение. Это вливание могло объяснить странный состав больших провинций с низкой скоростью сдвига и ультранизкоскоростных зон, которые можно рассматривать как затвердевшие остатки того, что учёные назвали «базальным магматическим океаном», загрязнённым материалом из ядра.
«Мы предположили, что это может происходить из-за материала, просачивающегося из ядра, — сказал Миядзаки. — Если добавить компонент ядра, это могло бы объяснить то, что мы видим сейчас».
Влияние на эволюцию Земли
Это открытие касается не только химии глубин Земли, сказал Миядзаки. Взаимодействие ядра и мантии могло повлиять на то, как Земля охлаждалась, как развивалась вулканическая активность и даже как эволюционировала атмосфера. Это может помочь объяснить, почему на Земле есть океаны и жизнь, в то время как Венера — это раскалённая теплица, а Марс — замёрзшая пустыня.
«Земля имеет воду, жизнь и относительно стабильную атмосферу, — сказал 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 так происходит. Но то, что происходит внутри планеты, то есть как она охлаждается, как развиваются её слои, может быть значительной частью ответа».
Значение исследования
Интегрируя сейсмические данные, физику минералов и геодинамическое моделирование, исследование представило большие провинции с низкой скоростью сдвига и ультранизкоскоростные зоны как жизненно важные ключи к процессам формирования Земли. Эти структуры могут даже питать вулканические горячие точки, такие как Гавайи и Исландия, связывая глубины Земли с её поверхностью.
«Эта работа — отличный пример того, как объединение наук о планетах, геодинамики и физики минералов может помочь нам решить некоторые из древнейших загадок Земли, — сказал Цзе Дэн из Принстонского университета, соавтор исследования. — Идея о том, что глубинный мантийный материал всё ещё может нести химическую память о ранних взаимодействиях между ядром и мантией, открывает новые пути для понимания уникальной эволюции Земли».
Основываясь на этой идее, исследователи говорят, что каждая новая улика помогает заполнить пробелы в ранней истории Земли, превращая разрозненные подсказки в более ясную картину её эволюции.
«Даже с очень небольшим количеством улик мы начинаем выстраивать историю, которая имеет смысл, — сказал Миядзаки. — Это исследование даёт нам немного больше уверенности в том, как развивалась Земля и почему она так уникальна».
Предоставлено Ратгерским университетом.