Бесчисленные теории, моделирование и геологические наблюдения подтверждают такой сценарий. Но остается одна загадка: если Земля возникла в результате столкновения астероидов, ее состав должен напоминать метеороиды, маленькие частицы, которые отрываются от астероидов.
Но на сегодняшний день ученые обнаружили, что буквально что-то не складывается: а именно, в мантии Земли — слое между корой и ядром планеты — не хватает свинца, обнаруженного в метеоритах, состав которых был проанализирован следующим образом. столкновение с Землей.
Большая часть Земли состоит из горных пород с высоким соотношением урана и свинца (уран естественным образом со временем распадается на свинец). Однако согласно стандартным теориям планетарной эволюции Земля должна иметь где-то внутри резервуар мантии с низким соотношением урана и свинца, чтобы соответствовать составу метеоритов. Но такой резервуар еще предстоит открыть — деталь, из-за которой происхождение Земли остается туманным.
Теперь исследователи из отдела Земли, атмосферы и планетных наук Массачусетского технологического института определили «скрытый поток» материала в мантии Земли, который сделает общий состав планеты более похожим на состав метеоритов. Этот резервуар, вероятно, имеет форму чрезвычайно плотных, содержащих свинец горных пород, которые кристаллизуются под островными дугами, гирляндами вулканов, которые поднимаются на границе тектонических плит.
Когда две массивные плиты сталкиваются друг с другом, одна плита погружается или скользит под другую, выталкивая материал из коры в мантию.
В то же время расплавленный материал из мантии поднимается до коры и выбрасывается вулканами на поверхность Земли.
Однако, согласно наблюдениям и расчетам исследователей Массачусетского технологического института, до 70 процентов этой поднимающейся магмы кристаллизуется в плотную породу, которая опускается, как свинец, обратно в мантию, где она остается относительно нетронутой. По их словам, поток тяжелого свинца ставит состав мантии Земли в один ряд с метеоритами.
«Теперь, когда мы знаем состав этого потока, мы можем подсчитать, что тонны этого вещества падают с основания коры в мантию, так что это, вероятно, важный резервуар», — говорит Оливер Ягуц, доцент геологии. в Массачусетском технологическом институте. "Это имеет большое значение для понимания того, как Земля развивалась на протяжении истории."
Ягуц и его коллега Макс Шмидт из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе подробно описали свои результаты в статье, опубликованной в журнале Earth and Planetary Science Letters.
Обнаженная мантия
Измерение состава вещества, попавшего в мантию, — практически невыполнимая задача. По оценкам Ягуца, такие плотные породы могут образовываться на глубине от 40 до 50 километров под поверхностью, за пределами досягаемости традиционных методов отбора проб.
Однако есть одно место на Земле, где обнажается такая глубина коры и мантии: регион на севере Пакистана, называемый дугой Кохистан. Сорок миллионов лет назад эта островная дуга была раздавлена между Индией и Азией в результате столкновения двух плит.
«Когда пришла Индия, она врезалась в дугу, и дуга расширилась и вращалась сама по себе», — говорит Ягуц. "Благодаря этому у нас теперь есть поперечное сечение перехода от мантии к корке. Это единственное место на Земле, где это существует."
В различных поездках с 2000 по 2007 год Ягуц путешествовал по региону дуги Кохистан, собирая камни из различных частей коры и мантии дуги. Вернув их в лабораторию, он проанализировал плотность и состав горных пород, обнаружив, что некоторые из них были «нестабильны по плотности» — намного плотнее, чем мантия.
Эти более плотные породы потенциально могут погрузиться в мантию, создавая скрытый резервуар.
Добавление к происхождению астероида
Исследователи измерили состав горных пород и обнаружили, что в более плотных породах содержится намного больше свинца, чем урана — в точности такое соотношение, которое было предсказано для недостающего резервуара материала. Затем Джагутс выполнил баланс массы (простой расчет сохранения массы), чтобы определить, сколько плотных пород падает в мантию, основываясь на составе земной коры, горных пород и мантии региона: по сути, масса дуги Кохистана за вычетом любой материал, попадающий в мантию, должен соответствовать материалу, выходящему из мантии.
Ягуц и Шмидт решили уравнение для 10 общих элементов. Из своих расчетов они обнаружили, что 70 процентов магмы, которая поднимается из мантии, в конечном итоге должна упасть обратно вниз, относительно тяжелая со свинцом. Применяя эту статистику к другим островным дугам в мире, таким как Андский вулканический пояс и Каскадный хребет, они обнаружили, что количество материала, попавшего в мантию в глобальном масштабе, равно составу и количеству так называемого отсутствующего резервуара — открытие, которое предполагает, что Земля действительно образовалась в результате столкновения метеоритов.
Брюс Баффет, профессор науки о Земле и планетах в Калифорнийском университете в Беркли, говорит, что скрытый резервуар в мантии, состоящий из плотных пород, «интересен и правдоподобен», хотя он указывает, что существуют и другие конкурирующие теории. Например, субдукция океанической коры в мантию может вносить неизвестный материал. Точно так же материал может образоваться в результате охлаждения и затвердевания большого магматического океана.
«В таблице есть множество вариантов объяснения сложной структуры, которую мы обнаруживаем сейсмически на дне мантии», — говорит Баффет, который не принимал участия в исследовании. "Привлекательный аспект идеи [Ягуца] заключается в том, что у нее есть проверяемые последствия.
Вот как достигается прогресс."
"Если мы правы, то у нас возникает один из вопросов: почему Земля способна что-то скрывать от нас?? Почему никогда не бывает вулкана, который поднимает эти скалы??"Ягуц добавляет. "Можно было подумать, что он вернется, но это не так. Это на самом деле интересно."