В течение многих лет ученые были озадачены двумя огромными и необычными образованиями, скрытыми глубоко внутри Земли. Их размер, форма и особенности настолько экстремальны, что традиционные представления о том, как формировалась и развивалась наша планета, с трудом объясняли их существование. Эти загадочные слои лежат на границе между мантией и ядром, почти в 2900 километрах под поверхностью.
Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience под руководством геодинамика Йошинори Миядзаки из Университета Рутгерса и его команды, предлагает новую интерпретацию, которая наконец может прояснить происхождение этих структур и их связь с долгосрочной обитаемостью Земли.
Речь идет о так называемых крупных областях с низкой скоростью сдвиговых волн (large low-shear-velocity provinces, LLSVPs) и зонах со сверхнизкой скоростью (ultra-low-velocity zones, ULVZs). Крупные области с низкой скоростью сдвиговых волн – это колоссальные массы чрезвычайно горячих, плотных пород, одна из которых находится под Африкой, а другая – под Тихим океаном. Зоны со сверхнизкой скоростью напоминают тонкие, частично расплавленные слои, прилегающие к ядру в виде своеобразных «луж». Обе эти структуры сильно замедляют сейсмические волны, что указывает на их уникальный состав или состояние, отличающиеся от окружающей мантии.
«Это не случайные аномалии, – объясняет Миядзаки, доцент кафедры наук о Земле и планетах в Школе искусств и наук Рутгерса. – Это отпечатки ранней истории Земли. Если мы сможем понять, почему они существуют, мы сможем понять, как сформировалась наша планета и почему она стала пригодной для жизни».
По мнению Миядзаки и многих других ученых, когда-то Земля была покрыта глобальным океаном расплавленных пород. По мере остывания этого древнего магматического океана, исследователи ожидали, что мантия приобретет четкие химические слои, подобно тому как замерзший сок разделяется на концентрированный сироп и водянистый лед. Однако сейсмические наблюдения не выявили такой четкой слоистости. Вместо этого, крупные области с низкой скоростью сдвиговых волн и зоны со сверхнизкой скоростью образуют сложные, неравномерные нагромождения на дне мантии.
«Это противоречие стало отправной точкой, – отмечает Миядзаки. – Если мы начнем расчеты с магматического океана, то не получим того, что видим в мантии Земли сегодня. Чего-то не хватало». Исследовательская группа предположила, что недостающим фактором является само ядро. Их модель показывает, что на протяжении миллиардов лет такие элементы, как кремний и магний, постепенно проникали из ядра в мантию. Это смешивание могло нарушить образование четких химических слоев. Оно также может объяснить необычный состав крупных областей с низкой скоростью сдвиговых волн и зон со сверхнизкой скоростью, которые ученые интерпретируют как охлажденные остатки «базального магматического океана», измененные материалом, поступившим из ядра.
«Мы предположили, что это могло быть связано с утечкой материала из ядра, – говорит Миядзаки. – Если добавить компонент ядра, это могло бы объяснить то, что мы видим сейчас».
Миядзаки отмечает, что последствия этого открытия выходят за рамки минеральной химии. Взаимодействие между мантией и ядром могло влиять на то, как Земля выделяла тепло, как развивалась вулканическая активность и даже как менялась атмосфера с течением времени. Эта перспектива может помочь прояснить, почему на Земле появились океаны и жизнь, в то время как Венера стала чрезвычайно горячей, а Марс – холодной и бесплодной планетой.
«На Земле есть вода, жизнь и относительно стабильная атмосфера, – подчеркивает Миядзаки. – Атмосфера Венеры в 100 раз плотнее земной и состоит в основном из углекислого газа, а у Марса очень разреженная атмосфера. Мы не до конца понимаем, почему это так. Но то, что происходит внутри планеты – то, как она остывает, как развиваются ее слои – может быть значительной частью ответа».
Объединив сейсмические наблюдения, минеральную физику и геодинамические симуляции, команда переосмыслила крупные области с низкой скоростью сдвиговых волн и зоны со сверхнизкой скоростью как важные записи о том, как сформировалась Земля. Исследование также предполагает, что эти глубинные образования могут питать вулканические «горячие точки», такие как Гавайи и Исландия, создавая прямую связь между недрами Земли и ее поверхностью.
«Эта работа – прекрасный пример того, как сочетание планетологии, геодинамики и минеральной физики может помочь нам решить некоторые из древнейших загадок Земли, – комментирует Цзе Денг из Принстонского университета, соавтор исследования. – Идея о том, что глубокая мантия все еще может хранить химическую память о ранних взаимодействиях между ядром и мантией, открывает новые пути для понимания уникальной эволюции Земли».
Исследователи отмечают, что каждое новое открытие приближает их к реконструкции самых ранних глав истории планеты. Частицы доказательств, которые когда-то казались изолированными, теперь, по всей видимости, складываются в более связную картину. «Даже с очень небольшим количеством подсказок мы начинаем выстраивать историю, которая имеет смысл, – заключает Миядзаки. – Это исследование дает нам немного больше уверенности в том, как развивалась Земля и почему она так особенна».
