Аномалия в мантии Земли может быть остатком столкновения, в результате которого образовалась Луна

Междисциплинарная международная исследовательская группа ученых обнаружила, что массивная аномалия глубоко внутри Земли может быть остатком столкновения, произошедшего около 4,5 миллиардов лет назад, в результате которого образовалась Луна.

Это исследование предлагает важное новое понимание не только внутренней структуры Земли, но также ее долгосрочной эволюции и формирования внутренней солнечной системы.

Исследование, основанное на методах вычислительной гидродинамики, впервые предложенных профессором Дэн Хунпином из Шанхайской астрономической обсерватории (ШАО) Китайской академии наук, было опубликовано на обложке журнала Nature 2 ноября.

Формирование Луны было постоянной загадкой для нескольких поколений ученых. Преобладающая теория предполагает, что на поздних стадиях роста Земли, примерно 4,5 миллиарда лет назад, произошло массивное столкновение, известное как «гигантский удар», между первичной Землей (Гея) и протопланетой размером с Марс, известной как Тейя.

Считается, что Луна образовалась из обломков, образовавшихся в результате этого столкновения.

Численное моделирование показало, что Луна, вероятно, унаследовала материал в основном от Тейи, в то время как Гея (Гайя), из-за своей гораздо большей массы, была лишь слегка загрязнена Тейским материалом.

Поскольку Гея и Тейя были относительно независимыми образованиями и состояли из разных материалов, теория предполагала, что Луна, на которой доминирует тейанский материал, и Земля, на которой доминирует материал Геи, должны иметь разные составы. Однако позже высокоточные изотопные измерения показали, что составы Земли и Луны удивительно похожи, что ставит под сомнение традиционную теорию формирования Луны.

Хотя впоследствии были предложены различные уточненные модели гигантского удара, все они столкнулись с проблемами.

Для дальнейшего совершенствования теории формирования Луны профессор Дэн Хунпин начал проводить исследования формирования Луны в 2017 году. Он сосредоточился на разработке нового метода вычислительной гидродинамики под названием Meshless Finite Mass (MFM), который превосходно моделирует турбулентность и смешивание материалов.

Используя этот новый подход и проведя многочисленные симуляции гигантского удара, профессор Дэн обнаружил, что на ранней Земле после удара наблюдалось расслоение мантии, причем верхняя и нижняя мантия имела разный состав и состояние. В частности, верхняя мантия представляла собой океан магмы, созданный в результате смешивания материала Геи и Тейи, в то время как нижняя мантия оставалась в значительной степени твердой и сохранила материальный состав Геи.

«Предыдущие исследования уделяли чрезмерное внимание структуре диска обломков (предшественника Луны) и упускали из виду воздействие гигантского столкновения на раннюю Землю», — сказал Дэн Хунпин.

После обсуждений с геофизиками из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе ученые поняли, что эта стратификация мантии, возможно, сохранилась до наших дней, что соответствует глобальным сейсмическим отражателям в средней мантии (расположенным примерно на 1000 км под землей).

В частности, согласно предыдущему исследованию, во всей нижней мантии Земли все еще может преобладать вещество Геи до удара, которое имеет другой элементный состав (включая более высокое содержание кремния), чем верхняя мантия.

«Наши результаты бросают вызов традиционному представлению о том, что гигантский удар привел к гомогенизации ранней Земли», — сказал профессор Дэн. «Вместо этого гигантский удар, образовавший Луну, по-видимому, является источником неоднородности ранней мантии и отмечает отправную точку геологической эволюции Земли в течение 4,5 миллиардов лет».

Еще одним примером неоднородности мантии Земли являются две аномальные области, называемые Крупные области с низкой скоростью сдвига (Large low-shear-velocity provinces, LLVP), которые простираются на тысячи километров у основания мантии. Одна расположена под Африканской тектонической плитой, а другая — под Тихоокеанской тектонической плитой. Когда сейсмические волны проходят через эти области, скорость волн значительно снижается.

LLVP имеют серьезные последствия для эволюции мантии, разделения и агрегации суперконтинентов, а также структур тектонических плит Земли. Однако их происхождение осталось загадкой.

Доктор Юань Цянь из Калифорнийского технологического института вместе с коллегами предположил, что LLVP могли возникнуть из небольшого количества тэйского материала, попавшего в нижнюю мантию Геи. Впоследствии они пригласили профессора Дэна изучить распределение и состояние тэйского материала в глубинах Земли после гигантского удара.

Благодаря углубленному анализу предыдущих моделей гигантского удара и проведению нового более точного моделирования исследовательская группа обнаружила, что значительное количество материала тейанской мантии, примерно 2% массы Земли, вошло в нижнюю мантию Геи.

Затем ученые пригласили астрофизика Джейкоба Кегеррайса подтвердить этот вывод, используя традиционные методы гидродинамики сглаженных частиц (SPH).

Исследовательская группа также подсчитала, что этот материал мантии Тейи, похожий на лунные породы, обогащен железом, что делает его более плотным, чем окружающий материал Геи. В результате он быстро опустился на дно мантии и в ходе длительной мантийной конвекции сформировал две заметные области LLVP. Эти LLVP оставались стабильными на протяжении 4,5 миллиардов лет геологической эволюции.

Неоднородность глубокой мантии предполагает, что недра Земли далеки от единой и «скучной» системы. Фактически, небольшое количество глубоко укоренившейся неоднородности может быть вынесено на поверхность мантийными плюмами — цилиндрическими восходящими термальными потоками, вызванными мантийной конвекцией — такими, как те, которые, вероятно, образовали Гавайи и Исландию.

Например, геохимики, изучающие изотопные соотношения редких газов в образцах исландского базальта, обнаружили, что эти образцы содержат компоненты, отличные от типичных поверхностных материалов. Эти компоненты являются остатками неоднородности глубокой мантии возрастом более 4,5 миллиардов лет и служат ключом к пониманию первоначального состояния Земли и даже формирования близлежащих планет.

«Благодаря точному анализу более широкого спектра образцов горных пород в сочетании с более точными моделями гигантского удара и моделями эволюции Земли мы можем сделать выводы о материальном составе и орбитальной динамике первичной Земли, Геи и Тейи. Это позволяет нам ограничить всю историю формирования внутренней солнечной системы» — говорят исследователи.

«Кроме того, это исследование дает вдохновение для понимания формирования и обитаемости экзопланет за пределами нашей солнечной системы».