Возможные химические остатки ранней Земли находятся рядом с ядром

Внизу, около ядра, есть зоны, где сейсмические волны замедляются до ползания. Новое исследование Университета Юты обнаружило, что эти загадочные зоны сверхнизких скоростей с описательными названиями удивительно многослойны. Моделирование предполагает, что, возможно, некоторые из этих зон являются остатками процессов, сформировавших раннюю Землю, — остатками неполного перемешивания, как комки муки на дне миски с жидким тестом.

«Из всех известных нам особенностей глубокой мантии зоны сверхнизких скоростей представляют собой, вероятно, самые экстремальные», — говорит Майкл С. Торн, доцент кафедры геологии и геофизики. «В самом деле, это одни из самых экстремальных особенностей, которые можно найти на всей планете».

Исследование опубликовано в Природа Геонауки и финансируется Национальным научным фондом.

В мантию

Давайте рассмотрим, как устроена внутренняя часть Земли. Мы живем на коре, тонком слое твердой породы. Между корой и железо-никелевым ядром в центре планеты находится мантия. Это не океан лавы — это больше похоже на твердую скалу, но горячую и способную двигаться, которая движет тектоникой плит на поверхности.

Как мы можем понять, что происходит в мантии и ядре? Сейсмические волны. Когда они колеблются по Земле после землетрясения, ученые на поверхности могут измерить, как и когда волны прибывают на станции мониторинга по всему миру. На основе этих измерений они могут рассчитать, как волны отражались и отклонялись структурами на Земле, включая слои разной плотности. Вот как мы узнаем, где находятся границы между корой, мантией и ядром, и частично как мы узнаем, из чего они сделаны.

Зоны сверхнизких скоростей находятся на дне мантии, поверх внешнего ядра из жидкого металла. В этих областях сейсмические волны замедляются наполовину, а плотность увеличивается на треть.

Ученые первоначально думали, что эти зоны были областями, где мантия была частично расплавлена, и могли быть источником магмы для так называемых «горячих точек» вулканических регионов, таких как Исландия.

«Но большая часть того, что мы называем зонами сверхнизкой скорости, похоже, не находится под горячими точками вулканов, — говорит Торн, — так что это не вся история».

Итак, Торн, доктор наук Сурья Пачхай и его коллеги из Австралийского национального университета, Университета штата Аризона и Университета Калгари решили исследовать альтернативную гипотезу: зоны сверхнизких скоростей могут быть регионами, состоящими из разных пород, чем остальная часть мантия — и что их состав может восходить к ранней Земле.

Возможно, говорит Торн, зоны сверхнизких скоростей могут быть скоплениями оксида железа, который мы видим на поверхности как ржавчина, но который может вести себя как металл в глубокой мантии. Если это так, карманы оксида железа за пределами ядра могут влиять на магнитное поле Земли, которое создается чуть ниже.

«Физические свойства зон сверхнизких скоростей связаны с их происхождением, — говорит Пачхай, — что, в свою очередь, дает важную информацию о термическом и химическом статусе, эволюции и динамике самой нижней мантии Земли — важной части мантийной конвекции, которая движет тектоника плит ».

Обратный инжиниринг сейсмических волн

Чтобы получить четкую картину, исследователи изучили зоны сверхнизких скоростей под Коралловым морем между Австралией и Новой Зеландией. Это идеальное место из-за обилия землетрясений в этом районе, которые обеспечивают сейсмическую картину границы ядра и мантии с высоким разрешением. Была надежда, что наблюдения с высоким разрешением смогут больше узнать о том, как устроены зоны сверхнизких скоростей.

Но получить сейсмическое изображение чего-либо через почти 1800 миль коры и мантии непросто. Это также не всегда убедительно — толстый слой материала с низкой скоростью может отражать сейсмические волны так же, как тонкий слой материала с меньшей скоростью.

Таким образом, команда использовала подход обратной инженерии.

«Мы можем создать модель Земли, которая включает в себя снижение скорости сверхмалых волн, — говорит Пачхай, — а затем запустить компьютерное моделирование, которое расскажет нам, как будут выглядеть сейсмические волны, если Земля будет такой на самом деле. Наш следующий шаг — сравнить эти предсказанные записи с записями, которые у нас есть на самом деле ».

После сотен тысяч прогонов модели метод, называемый «байесовская инверсия», дает математически устойчивую модель внутренней части с хорошим пониманием неопределенностей и компромиссов различных допущений в модели.

Один конкретный вопрос, на который исследователи хотели ответить, заключается в том, есть ли внутренние структуры, такие как слои, в зонах сверхнизких скоростей. Ответ, согласно моделям, заключается в том, что прослойка очень высока. Это большое дело, потому что это показывает путь к пониманию того, как возникли эти зоны.

«Насколько нам известно, это первое исследование, использующее такой байесовский подход на таком уровне детализации для изучения зон сверхнизких скоростей», — говорит Пачхай, «и это также первое исследование, демонстрирующее сильное наслоение в зоне сверхнизких скоростей. . »

Оглядываясь на истоки планеты

Что означает наличие вероятных слоев?

Более четырех миллиардов лет назад, когда плотное железо опускалось в ядро ​​ранней Земли, а более легкие минералы всплывали в мантию, планетарный объект размером с Марс мог врезаться в зарождающуюся планету. Столкновение могло выбросить на орбиту Земли обломки, которые позже могли образовать Луну. Это также значительно повысило температуру Земли — как и следовало ожидать от столкновения двух планет друг с другом.

«В результате образовалось большое тело расплавленного материала, известное как океан магмы», — говорит Пачхай. «Океан» состоял бы из горных пород, газов и кристаллов, взвешенных в магме.

Океан рассортировался бы по мере охлаждения, когда плотные материалы опускались бы на дно мантии.

В течение следующих миллиардов лет, когда мантия перемешивалась и конвектировалась, плотный слой был бы раздвинут на небольшие участки, проявившиеся как слоистые зоны сверхнизких скоростей, которые мы видим сегодня.

«Таким образом, основное и самое удивительное открытие состоит в том, что зоны сверхнизких скоростей не являются однородными, но содержат внутри себя сильные неоднородности (структурные и композиционные вариации)», — говорит Пачхай. «Это открытие меняет наши взгляды на происхождение и динамику зон сверхнизких скоростей. Мы обнаружили, что этот тип зоны сверхнизких скоростей можно объяснить химическими неоднородностями, созданными в самом начале истории Земли, и что они все еще плохо перемешаны после 4,5 миллиардов лет мантийной конвекции ».

Не последнее слово

Исследование предоставляет некоторые доказательства происхождения некоторых зон сверхнизких скоростей, хотя есть также свидетельства, позволяющие предположить различное происхождение других, например, таяние океанской коры, которая снова погружается в мантию. Но если хотя бы некоторые зоны сверхнизких скоростей являются остатками ранней Земли, они сохраняют часть истории планеты, которая в противном случае была бы утеряна.

«Таким образом, наше открытие предоставляет инструмент для понимания начального термического и химического статуса мантии Земли, — говорит Пачхай, — а также их долгосрочной эволюции».