Океан магми ранньої Землі: моделювання показало його вплив сьогодні

Глибоко під поверхнею молодої Землі міг існувати величезний океан розплавленої породи — базальний океан магми. Нове дослідження не лише підтверджує можливість його існування, але й доводить його неминучість, пропонуючи потенційне пояснення для дивних аномалій, які спостерігаються в мантії нашої планети сьогодні. Існування цього глибокого океану магми на межі між ядром та мантією було предметом гарячих наукових дебатів протягом багатьох років.

Певні геохімічні дані вказували на те, що в перші кілька сотень мільйонів років існування Землі стійке море розплаву сформувалося на цій глибокій межі. Проте класичні моделі формування планети суперечили цій ідеї. Вони припускали, що коли новонароджена Земля була розплавленою кулею, вона тверднула знизу вгору, що ускладнювало уявлення про те, як глибокий океан магми міг би існувати та зберігатися протягом тривалого часу в таких умовах. Ця суперечність між геохімічними свідченнями та фізичними моделями створювала значну загадку в розумінні ранньої еволюції нашої планети.

Нове дослідження, опубліковане 26 березня в авторитетному журналі Nature, пропонує розв'язання цієї суперечності. Вчені виявили, що океан магми не тільки міг існувати, але його формування було практично неминучим на ранніх етапах розвитку Землі. Моделювання показало, що незалежно від точного місця, де розплавлена новонароджена планета почала кристалізуватися і перетворюватися на тверде тіло — чи то в середині мантії, чи безпосередньо на межі з ядром — базальний океан все одно формувався. Це свідчить про фундаментальну природу цього процесу для планет земного типу.

Залишки цього прихованого моря магми, можливо, існують і сьогодні у вигляді гігантських структур, відомих як великі області з низькою швидкістю зсуву (LLVP), які іноді називають «краплями» в мантії. Це величезні регіони глибокої мантії, де сейсмічні хвилі від землетрусів поширюються повільніше, ніж через решту мантії. Вчені давно сперечаються про походження цих LLVP: чи є вони залишками океанічної кори, яка була занурена (субдукована) глибоко в мантію протягом останніх кількох сотень мільйонів років, чи це релікти первинного базального океану магми, що робить їх вік приблизно 4,4 мільярда років.

Нове дослідження рішуче схиляється до другої гіпотези. Ці висновки можуть мати серйозні наслідки для нашого розуміння історії Землі, зазначає провідний автор дослідження Чарльз-Едуард Букаре, планетарний фізик з Йоркського університету в Торонто. Якщо LLVP справді є залишками раннього океану магми, це означає, що фундаментальна структура глибоких надр Землі була закладена на самій зорі її існування.

«Це вплинуло б на тепловий обмін між ядром і мантією», — пояснив Букаре в інтерв'ю Live Science. «Це могло б вплинути на розташування тектонічних плит». Наявність такого стародавнього, хімічно відмінного шару на межі ядро-мантія могла б модулювати конвекційні потоки в мантії та передачу тепла від гарячого ядра, що, в свою чергу, впливає на довгострокову геологічну активність, включаючи рух континентів та вулканізм.

Дослідники побудували нову модель формування Землі, яка враховувала як геохімічні дані, так і сейсмічні спостереження — два основні методи зазирнути в глибоку історію нашої планети. Зокрема, модель враховувала поведінку важливих мікроелементів, які хімічно «віддають перевагу» залишатися в магмі під час кристалізації інших мінералів у тверду породу. Концентрація цих мікроелементів у гірських породах може розкрити, коли і в якому порядку тверднули породи мантії. Більшість попередніх досліджень цієї епохи формування Землі зосереджувалися на початковому затвердінні мантії та динаміці, коли мантія була ще переважно рідкою.

Команда Букаре зосередилася на трохи пізнішому етапі, розглядаючи момент, коли мантія вже достатньо кристалізувалася, щоб поводитися як тверде тіло, а не рідина. Саме на цьому етапі, як показала модель, механізми формування базального океану магми ставали особливо ефективними.

Процес формування цього океану, згідно з моделлю, починався з утворення тонкої кірки твердих порід на поверхні молодої Землі. Однак ці тверді частинки були відносно холодними і менш плавучими, ніж мантія під ними, тому вони тонули і знову плавилися. У міру того, як мантія продовжувала охолоджуватися, тверді частинки, що утворювалися у верхній мантії, почали тонути й накопичуватися в нижній мантії. Ці тверді частинки були багаті на оксид заліза, який є щільним і має відносно низьку температуру плавлення. Тому ці збагачені залізом тверді речовини опускалися глибше і часто знову плавилися поблизу гарячого ядра. Ключовим моментом є те, що через високу щільність оксиду заліза, навіть у рідкому стані, цей розплав не піднімався назад вгору, як це зазвичай буває з рідинами відносно твердих тіл у гравітаційному полі. Натомість він залишався глибоко в мантії, де тепло від ядра підтримувало його в розплавленому стані. Так сформувався стабільний базальний океан магми.

Дослідники варіювали умови у своїй моделі, змінюючи глибину формування твердих частинок та інші параметри, але ці зміни суттєво не вплинули на кінцевий результат. Навіть за найменш сприятливих обставин для утворення глибокого океану магми, він все одно формувався в моделі. Це свідчить про надійність та фундаментальність виявленого механізму.

Отримані результати свідчать про те, що основна структура планети сформувалася дуже рано в її історії, підкреслює Букаре. «Іншими словами, існує певна пам'ять», — каже він. Зачатки динаміки планети були закладені дуже рано, і ці стародавні структури продовжували впливати на те, як планета змінювалася в подальшому. Розуміння цих ранніх процесів є ключовим для пояснення довгострокової еволюції Землі.

«Можна сказати, що якщо ми маємо певні початкові умови планети і можемо змоделювати дуже ранні стадії планетарної еволюції, ми можемо передбачити більшу частину її поведінки в довгострокових масштабах часу», — додає Букаре. Це відкриває шлях до більш точного прогнозування геологічних процесів на Землі.

Надалі вчений планує вдосконалити моделювання, включивши в нього більшу кількість мікроелементів для ще точнішої перевірки геохімічних обмежень. Також було б цікаво застосувати цю модель до інших планет, таких як Марс, щоб побачити, чи проходять інші кам'янисті планети через подібні перехідні стани під час своєї ранньої еволюції.

«Можливо, цей базальний океан — це не щось унікальне для Землі», — припускає Букаре. Якщо це так, то розуміння цього процесу може мати фундаментальне значення для всієї планетології та пошуку потенційно жилих світів за межами Сонячної системи.