В 1980-х годах геофизики сделали поразительное открытие: глубоко вблизи центра Земли были обнаружены два континентальных сгустка из необычного материала: один под Африканским континентом, другой — под Тихим океаном. Каждый из них в два раза больше Луны и, вероятно, состоит из элементов, отличающихся по пропорциям от окружающей его мантии.
Откуда же взялись эти странные сгустки, известные как крупные низкоскоростные области (large low-velocity provinces — LLVP)? Новое исследование, проведённое под руководством учёных Калифорнийского технологического института, позволяет предположить, что это остатки древней планеты, которая столкнулась с Землёй миллиарды лет назад в результате того же гигантского удара, который привёл к образованию нашей Луны.
Исследование, опубликованное 1 ноября в журнале Nature, также предлагает ответ на другую загадку планетологии. Исследователи давно выдвинули гипотезу о том, что Луна образовалась в результате гигантского столкновения Земли с меньшей планетой, получившей название Тейя, однако никаких следов Тейи не было обнаружено ни в поясе астероидов, ни в метеоритах. Новое исследование позволяет предположить, что большая часть Тейи была поглощена молодой Землёй, образовав LLVP, а оставшиеся после столкновения обломки превратились в Луну.
Исследования проводились под руководством Цянь Юань, научного сотрудника O.K. Earl Postdoctoral Scholar Research Associate в лабораториях Пола Асимоу (MS '93, PhD '97), профессора геологии и геохимии Элеоноры и Джона Р. Макмиллана, и Майкла Гурниса, профессора геофизики Джона Е. и Хейзел С. Смитс, руководителя кафедры Кларенса Р. Аллена, директора Сейсмологической лаборатории Калтеха и директора Академии Шмидта по разработке программного обеспечения Калтеха.
Учёные впервые обнаружили LLVP, измеряя сейсмические волны, проходящие через Землю. Сейсмические волны проходят с разной скоростью через различные материалы, и в 1980-х годах появились первые намёки на крупномасштабные трёхмерные вариации в структуре Земли. В глубинах мантии в картине сейсмических волн доминируют сигнатуры двух крупных структур вблизи ядра Земли, которые, по мнению исследователей, обладают необычно высоким содержанием железа. Высокое содержание железа означает, что эти области более плотные, чем их окружение, что приводит к замедлению сейсмических волн, проходящих через них, и даёт им название «крупные низкоскоростные области».
В 2019 году Юань, геофизик по образованию, присутствовал на семинаре по формированию планет, который проводил Михаил Золотов, профессор Аризонского государственного университета. Золотов представил гипотезу гигантского столкновения, а Цянь отметил, что Луна относительно богата железом. Золотов добавил, что следов импактора, который должен был столкнуться с Землёй, не обнаружено.
«Сразу после того, как Михаил сказал, что никто не знает, где сейчас находится импактор, на меня снизошло озарение, и я понял, что богатый железом импактор мог превратиться в мантийные сгустки», — говорит Юань.
Юань работал с междисциплинарными коллегами над моделированием различных сценариев химического состава Тейи и её столкновения с Землёй. Моделирование подтвердило, что физика столкновения могла привести к образованию как LLVP, так и Луны. Часть мантии Тейи могла включиться в состав Земли, где она в конечном итоге слиплась и кристаллизовалась, образовав два отдельных пятна, которые сегодня можно обнаружить на границе ядра и мантии Земли; другие обломки, образовавшиеся в результате столкновения, смешались и сформировали Луну.
Почему при таком сильном ударе материал Тейи слипся в два отдельных сгустка, а не смешался с остальной частью формирующейся планеты? Моделирование, проведённое исследователями, показало, что большая часть энергии, полученной при ударе Тейи, осталась в верхней половине мантии, в результате чего нижняя оказалась холоднее, чем предполагалось в более ранних моделях удара с низким разрешением. Поскольку нижняя мантия не была полностью расплавлена в результате удара, сгустки богатого железом материала из Тейи остались практически неповреждёнными, опустились вниз к основанию мантии, подобно цветным массам парафина в выключенной лавовой лампе. Если бы нижняя мантия была более горячей (т.е. получила бы больше энергии от удара), она бы более тщательно перемешалась с богатым железом материалом, подобно краскам в перемешиваемом горшке с красками.
Следующим шагом должно стать изучение того, как раннее присутствие разнородного материала Тейи в глубине Земли могло повлиять на внутренние процессы нашей планеты, такие как тектоника плит.
«Логическим следствием идеи о том, что LLVP — остатки Тейи, является то, что они очень древние, — говорит Асимоу. — Поэтому имеет смысл изучить, какие последствия они имели для ранней эволюции Земли, например, начало субдукции до того, как условия стали пригодными для тектоники плит современного типа, формирование первых континентов и происхождение самых древних из сохранившихся земных минералов».
