Вопрос об океане магмы под поверхностью Земли горячо обсуждается уже много лет. Некоторые геохимические данные указывают на то, что в первые несколько сотен миллионов лет существования планеты на границе между ядром Земли и ее средним слоем, мантией, образовалось постоянное море расплава. Однако модели формирования планеты предполагали, что когда Земля была новой и расплавленной, она застывала снизу вверх, что затрудняло понимание того, как мог существовать глубокий океан магмы.

Новое исследование, опубликованное 26 марта в журнале Nature, показало, что океан магмы не только мог существовать, но и что его присутствие было неизбежным. Независимо от того, в каком именно месте расплавленная новорожденная планета начала кристаллизоваться в твердое тело, все равно формировался базальный океан, показало исследование.

Остатки этого скрытого магматического моря могут существовать и сегодня в виде крупных провинций с низкой скоростью сдвига (LLVPs) или мантийных «сгустков» — гигантских областей глубокой мантии, где волны землетрясений распространяются медленнее, чем в остальной части мантии.

Ученые спорили о том, являются ли эти LLVP остатками океанической коры, которая была затолкнута глубоко в мантию, что означает, что их возраст составляет несколько сотен миллионов лет, или же это остатки магматического океана, лежащего в основании Земли, что делает их возраст 4,4 миллиарда лет.

По словам ведущего автора исследования Шарля-Эдуара Букаре, физика-планетолога из Йоркского университета в Торонто, новое исследование утверждает, что это именно так, и полученные результаты могут оказать серьезное влияние на понимание истории Земли.

«Это может повлиять на тепловую связь между ядром и мантией», — сказал Букаре в интервью Live Science. «Это может повлиять на расположение тектонических плит».

Первые дни Земли

Исследователи построили новую модель формирования Земли, учитывающую как геохимические, так и сейсмические данные — два основных метода проникновения в глубь истории Земли. В частности, существуют важные микроэлементы, которые по химическому составу предпочитают оставаться в магме, в то время как другие минералы кристаллизуются в породу. По количеству этих микроэлементов в породе можно определить, когда и в каком порядке затвердевали породы мантии.

Большинство исследований этой эпохи формирования Земли сосредоточено на начальном застывании мантии и динамике, когда мантия была еще в основном жидкой.

Букаре и его команда сосредоточились на более позднем периоде, рассматривая момент, когда мантия кристаллизовалась настолько, что вела себя как твердое тело, а не как жидкость. Они обнаружили, что независимо от того, где началось застывание — в центре мантии или на границе с ядром, — образовался базальный океан магмы.

Фазы формирования

Процесс начался бы с образования тонкой корки твердых частиц на поверхности новой Земли, но твердые частицы были холодными и менее плавучими, чем подстилающая мантия, поэтому они тонули и переплавлялись.

Однако по мере охлаждения мантии твердые вещества, образовавшиеся в верхней мантии, начали опускаться и накапливаться в нижней мантии. Эти твердые вещества были богаты оксидом железа, который отличается плотностью и низкой температурой плавления, поэтому они опускались глубже и часто переплавлялись. Из-за плотности оксида железа, даже в жидком виде, этот расплав не поднимался обратно, как обычно поднимаются жидкости над твердыми телами. Вместо этого он остался в глубокой мантии, где тепло ядра поддерживало его в расплавленном состоянии. Так образовался базальный океан магмы.

Исследователи варьировали условия в своей модели, чтобы изменить глубину твердого образования, но эти параметры ничего не изменили. Даже при наименее благоприятных условиях для глубокого магматического океана он все равно образовался.

Полученные данные свидетельствуют о том, что основная структура планеты сформировалась очень рано в ее истории, сказал Букаре. По-другому это можно назвать «памятью», — сказал он. Семена динамики планеты были заложены очень рано, и эти древние структуры продолжали влиять на то, как планета менялась в дальнейшем».

«Мы можем сказать, что если у нас есть начальное состояние планеты и мы можем смоделировать самые ранние этапы планетарной эволюции, то мы сможем предсказать большую часть ее поведения на больших временных масштабах», — сказал Букаре.

В дальнейшем он планирует усовершенствовать моделирование, включив в него больше микроэлементов. По словам Букаре, было бы интересно применить эту модель к другим планетам, таким как Марс, чтобы узнать, проходят ли другие каменистые планеты через подобные переходы.

«Возможно, базальный океан не является чем-то уникальным для Земли», — сказал он.

Одним из самых интригующих аспектов исследования является его потенциальное объяснение происхождения LLVP. Если эти области действительно являются остатками древнего океана магмы, то это объясняет их уникальный химический состав и медленную скорость сдвига. Это также означает, что LLVP значительно старше, чем считалось ранее, и что они являются фундаментальной частью структуры Земли с момента ее формирования.

Это открытие имеет важные последствия для нашего понимания мантийной конвекции, процесса, посредством которого тепло от ядра Земли переносится к поверхности. LLVP могут влиять на характер мантийной конвекции, отклоняя потоки магмы и изменяя распределение тепла внутри Земли. Это, в свою очередь, может влиять на расположение тектонических плит и частоту извержений вулканов.

Более глубокое понимание ранней истории Земли и роли базального океана магмы может помочь нам лучше предсказать будущее поведение нашей планеты. Например, если мы сможем точно определить состав и структуру LLVP, мы сможем разработать более точные модели мантийной конвекции и понять, как изменения в ядре Земли влияют на ее поверхность.

Исследование Букаре и его команды представляет собой важный шаг вперед в нашем понимании ранней истории Земли. Предлагая убедительные доказательства существования древнего океана магмы и его возможной роли в формировании структуры Земли, это исследование открывает новые пути для будущих исследований и может в конечном итоге привести к более полному пониманию динамики нашей планеты.