Аномалии на границе ядра объясняют, почему Земля отличается от Венеры и Марса

Фото из открытых источников

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Geoscience, выдвигается предположение, что гигантские аномалии на границе ядра являются результатом утечки материала из металлического сердца планеты в течение ее самых ранних эпох, процесса, который мог определить геологическую и атмосферную эволюцию, сделавшую возможной жизнь.

На протяжении десятилетий планетарная сейсмология сталкивалась с загадочной загадкой, залегающей на глубине почти 2900 километров, прямо на границе между каменистой мантией и расплавленным железным внешним ядром. Две колоссальные структуры, чьи размеры и аномальные свойства не поддавались никаким традиционным объяснениям образования и эволюции нашей планеты, оставались неразрешимой загадкой для геофизики.

Теперь новое исследование, проведенное под руководством геодинамика Ёсинори Миядзаки из Ратгерского университета в сотрудничестве с учеными из других институтов, предлагает радикальное объяснение, которое не только решает загадку этих структур, но и помещает их в самый центр процесса, который дал Земле уникальную возможность быть местом зарождения жизни.

Эти образования, известные как крупные провинции с низкими скоростями сдвига (LLSVP) и зоны сверхнизких скоростей (ULVZ), ведут себя подобно странным подводным континентам глубоко в мантии. LLSVP представляют собой массивные скопления необычайно плотных и горячих пород, одно из которых находится под Африканским континентом, а другое — под Тихим океаном, и по размерам сопоставимы с континентами, находящимися на поверхности.

В свою очередь, зоны сверхнизкой лавы (ULVZ) представляют собой более тонкие расплавленные участки, которые, по-видимому, прилегают к ядру, подобно озерам первозданной лавы. Их отличительной особенностью, обнаруживаемой сейсмографами, является способность резко замедлять проходящие через них сейсмические волны, что является несомненным признаком того, что их химический состав и физическое состояние существенно отличаются от окружающей мантии.

Ёсинори Миядзаки утверждает, что эти аномалии — не просто геологические странности. По его мнению, это окаменелые останки самых разрушительных и определяющих событий в истории Земли.

Понимание их происхождения и природы, таким образом, открывает прямой путь к процессам, которые отделили Землю от её соседей-планет и привели её к обитаемости. Отправной точкой его исследования, проведённого в сотрудничестве с такими экспертами, как Цзе Дэн из Принстонского университета, стало фундаментальное противоречие между общепринятой теорией и сейсмическими наблюдениями.

Традиционные гипотезы предполагают, что миллиарды лет назад, когда Земля была покрыта глобальным океаном магмы, процессы охлаждения и затвердевания должны были сформировать химически стратифицированную мантию. Эта модель предполагает чёткую слоистую структуру, аналогичную той, что возникает при замерзании концентрированного сока и отделении плотных сахаристых компонентов от замёрзшей воды.

Однако сейсмические данные, собранные за многие годы, не демонстрируют столь чёткой стратификации; вместо этого они демонстрируют хаотичное и нерегулярное расположение низко- и низкопротяжённых зон (LLSVP) и высокопротяжённых зон (ULVZ), расположенных у основания планеты. Это расхождение между теоретическими моделями и данными наблюдений указывает на то, что в уравнении отсутствует важный элемент.

Исследовательская группа обнаружила этот недостающий элемент в ядре Земли. Разработанная ими геодинамическая модель предполагает историю непрерывного и длительного взаимодействия металлического ядра и нижней мантии. Согласно этой теории, в течение миллиардов лет лёгкие элементы, такие как кремний и магний, мигрировали из ядра в мантию, проникая через границу и смешиваясь с силикатными породами.

Такое устойчивое химическое загрязнение на протяжении веков препятствовало бы образованию химически чистых слоёв, предсказываемых простой моделью затвердевания. Именно постоянное приток материала из ядра и является причиной аномального и плотного состава, характерного для крупных низкоскоростных провинций и зон сверхнизких скоростей.

В рамках этой новой модели эти структуры можно интерпретировать как затвердевшие остатки того, что учёные называют океаном базальной магмы – долгоживущим расплавленным морем у основания мантии, служившим резервуаром и миксером для материала, просачивающегося из ядра. Идея о том, что значительная часть химического состава глубинной мантии обусловлена утечкой из металлического сердца планеты, даёт последовательное и элегантное объяснение загадочных сейсмических наблюдений. Однако значение этого открытия выходит далеко за рамки изучения глубинной химии Земли.

Миядзаки и его коллеги утверждают, что это взаимодействие ядра и мантии было не изолированным эпизодом, а фундаментальным механизмом, повлиявшим на термическую и геохимическую траекторию всей планеты. Охлаждение Земли, динамика и локализация вулканической активности на протяжении её истории и даже ранняя эволюция атмосферы, вероятно, были сформированы этими внутренними процессами. Эта связь между недоступными глубинами и пригодной для жизни поверхностью даёт мощный способ объяснить более широкую загадку: почему Земля, Венера и Марс, образовавшиеся из схожих материалов в одном и том же солнечном окружении, прошли столь разные пути.

В то время как на Земле развивались океаны с жидкой водой, стабильная атмосфера и условия для жизни, Венера превратилась в раскалённую теплицу с удушающей атмосферой из углекислого газа, а Марс – в ледяную пустыню с разреженным воздухом. Различия во внутренних процессах каждой планеты, в частности, в том, как структурируются и охлаждаются их слои, могут быть определяющим фактором в понимании этого радикального расхождения. Модель также предполагает, что эти древние структуры в основании мантии не являются инертными реликтами; их влияние может распространяться вплоть до поверхности, питая активные вулканические очаги, такие как на Гавайях и в Исландии, тем самым связывая глубинную динамику планеты с формированием её коры.

Исследование, в котором сейсмические данные, принципы физики минералов и вычислительные геодинамические модели интегрируются новым способом, переосмысливает LLSVP и ULVZ. Они больше не считаются просто аномалиями, а ключевыми элементами и молчаливыми свидетелями процессов формирования Земли. Этот подход превращает нижнюю мантию в химический архив, хранящий память о самых ранних и важнейших взаимодействиях ядра и мантии.

Каждое новое свидетельство, подобное полученному в ходе этого исследования, помогает заполнить пробелы в ранней истории планеты, превращая набор разрозненных и, казалось бы, не связанных между собой сведений в связную историю единой эволюции. Уверенность в том, как и почему Земля стала тем оазисом, которым она является сегодня, начинает медленно, но верно проступать из самых её глубин.