Странни петна в дълбоката мантия са останките на древна планета

Проучване на Калифорнийския технологичен институт предполага, че две масивни, богати на желязо структури дълбоко в мантията на Земята са останките на Тея, древна планета, която се сблъска със Земята, създавайки също Луната. Това откритие отговаря на дългогодишни въпроси за произхода на Луната и съдбата на Тея.

През 80-те години на миналия век геофизиците направиха изумително откритие: две петна от необичайни материали с размерите на континент бяха открити дълбоко в центъра на Земята, едно под африканския континент и едно под Тихия океан. Всяка точка е около два пъти по-голяма от Луната и вероятно е съставена от различни пропорции на елементи в сравнение с околната мантия.

Големи, нискоскоростни окръжни активи

Откъде са дошли тези странни петна – официално известни като Големи провинции с ниска скорост (LLVP)? Ново проучване на изследователи от Калифорнийския технологичен институт предполага, че те са останки от древна планета, която яростно се е сблъскала със Земята преди милиарди години при същия гигантски удар, който е дал началото на нашата Луна.

Изследването е публикувано в сп природа На 1 ноември той също така предлага отговор на друга мистерия в планетарната наука. Изследователите отдавна предполагат, че Луната е създадена след гигантски сблъсък между Земята и по-малка планета, наречена Тея, но не е открита следа от Тея в астероидния пояс или в метеорити. Това ново проучване предполага, че по-голямата част от Тея е била погълната от младата Земя, образувайки LLVP, докато отломките, останали от сблъсъка, са били погълнати от Луната.

Визуализация на Земята с големи „петна“ от плътна материя близо до ядрото на Земята. Тези точки са открити през 80-те години. Сега изследователите предполагат, че това всъщност са останките от древна планета Тея, която се е сблъскала със Земята, за да образува Луната. Кредит: Едуард Гарнеро

Методика на изследването и резултати

Изследването е ръководено от Qian Yuan, постдокторантски научен сътрудник на Oakey Earle в лабораториите на Paul Asimo (MS ’93, PhD ’97), професорът по геология и геохимия на Eleanor и John R. MacMillan; и Майкъл Джорнес, професор по геофизика на Джон Е. и Хейзъл С. Смитс и председател на ръководството на Кларънс Р. Алън, директор на сеизмичната лаборатория на Калифорнийския технологичен институт и директор на Академията за софтуерно инженерство Шмид в Калифорнийския технологичен институт.

Учените за първи път откриха LLVP чрез измерване на сеизмични вълни, пътуващи през Земята. Сеизмичните вълни се движат с различни скорости през различни материали и през 80-те години на миналия век се появяват първите намеци за широкомащабни триизмерни вариации дълбоко в структурата на Земята. В по-дълбоката мантия моделът на сеизмичните вълни е доминиран от подписите на две големи структури близо до ядрото на Земята, за които изследователите смятат, че имат необичайно високо ниво на желязо. Това високо съдържание на желязо означава, че зоните са по-плътни от заобикалящата ги среда, което води до забавяне на сеизмичните вълни, преминаващи през тях, което води до името „големи провинции с ниска скорост“.

Юан, геофизик по образование, присъства на симпозиум за формирането на планетата, даден от Михаил Золотов, професор в Държавния университет на Аризона, през 2019 г. Золотов представи хипотезата за гигантския удар, докато Циан посочи, че Луната е сравнително богата на желязо. Золотов допълни, че не е открита следа от автомобила, който със сигурност се е ударил в земята.

„Веднага след като Майкъл каза, че никой не знае къде е обектът на удара сега, имах „момент на еврика“ и осъзнах, че богатият на желязо обект на удар може да е бил трансформиран в петна от мантията“, казва Юан.

Подробна симулация на удара на Тея със Земята. Въпреки че ударът беше силен, той не беше достатъчно силен, за да разтопи долната мантия на Земята, което означава, че останките от Тея можеха да бъдат запазени, а не хомогенно смесени със земния материал. Кредит: Хонг Бинг Динг

Юан работи с интердисциплинарни сътрудници, за да моделира различни сценарии за химическия състав на Тея и нейното въздействие върху Земята. Симулациите потвърдиха, че физиката на сблъсъка може да доведе до образуването както на LLVP, така и на Луната. Възможно е част от мантията на Тея да е била включена в мантията на Земята, където в крайна сметка се е събрала и кристализирала заедно, за да образува две отделни петна, които могат да бъдат открити днес на границата между мантията и ядрото днес; Други отломки от сблъсъка се смесват, за да образуват Луната.

Последици и бъдещи изследвания

Като се има предвид това силно въздействие, защо материалът на Тея се е събрал в двете отделни точки, вместо да се смеси с останалата част от формиращата се планета? Симулациите на изследователите показват, че голяма част от енергията от удара на Тея е останала в горната половина на мантията, оставяйки долната мантия на Земята по-хладна, отколкото са изчислили предишните модели на въздействие с ниска разделителна способност. Тъй като долната мантия не беше напълно разтопена от удара, петна от богат на желязо материал от Тея останаха до голяма степен непокътнати, докато се пресяват към основата на мантията, като цветни бучки парафинов восък в угаснала лампа от лава. Ако долната мантия беше по-гореща (т.е. получи повече енергия от сблъсъка), тя щеше да се смеси по-добре с богати на желязо материали, като цветове в саксия с боя.

Следващите стъпки са да се проучи как ранното присъствие на разнороден материал Theia дълбоко в Земята е повлияло на вътрешните процеси на нашата планета, като тектониката на плочите.

„Логичната последица от идеята, че LLVP са останки от Тея, е, че те са много древни“, казва Азимов. „Така че има смисъл след това да проучим какви последствия са имали върху ранната еволюция на Земята, като например началото на субдукция, преди условията да станат подходящи за съвременната тектоника на плочите, формирането на първите континенти и произхода на най-старите тектонични плочи. на минералите на Земята.“

Ново изследване дава отговор на две дългогодишни мистерии на планетарната наука: какви са гигантските, мистериозни „петна“ от материал близо до ядрото на Земята и какво се е случило с планетата, която се е сблъскала със Земята, за да създаде Луната? Ново проучване от Калифорнийския технологичен институт предполага, че останки от тази древна планета все още съществуват на Земята, обяснявайки произхода на „петната“ близо до границата между ядрото и мантията.

Справка: „Сблъсък, образуващ луна, като източник на аномалия на базалната мантия на Земята“ от Qian Yuan, Mingming Li и Stephen J. Деш, Бюнг-Кван Ку, Хонгпенг Денг и Едуард Дж. Гарнеро, Травис С. Дж. Габриел и Джейкъб А. , Винсент Еке и Пол Д. Азимов, 32 октомври 2023 г., природа.
doi: 10.1038/s41586-023-06589-1

Qian Yuan е първият автор. В допълнение към Юан и Асимо, допълнителен съавтор в Калтек е Йошинори Миядзаки, постдокторантски изследовател от Станбек, участващ в сравнителната планетарна еволюция. Допълнителни съавтори са Mingming Li, Stephen Desch и Edward Garnero (доктор ’94) от Държавния университет на Аризона (ASU); Byungkwan Ko от Държавния университет на Аризона и Мичиганския държавен университет; Hongping Ding от Китайската академия на науките; Травис Габриел от USGS; Яков Кегерис НАСАИзследователски център Еймс; и Винсънт Еке от университета Дърам. Финансирането беше осигурено от Националната научна фондация, постдокторантската стипендия на Аоки Ърл в Калтек, USGS, НАСА и Центъра за сравнителна планетарна еволюция на Калтек.