Dīvaini plankumi dziļajā mantijā ir senas planētas paliekas

Kalifornijas Tehnoloģiju institūta pētījums liecina, ka divas masīvas, ar dzelzi bagātas struktūras, kas atrodas dziļi Zemes apvalkā, ir Theia, senas planētas atliekas, kas sadūrās ar Zemi, radot arī Mēnesi. Šis atklājums atbild uz ilgstošiem jautājumiem par Mēness izcelsmi un Tejas likteni.

Astoņdesmitajos gados ģeofiziķi veica pārsteidzošu atklājumu: dziļi Zemes centrā tika atrasti divi kontinenta lieluma neparastu materiālu lāsumi, viens zem Āfrikas kontinenta un viens zem Klusā okeāna. Katrs punkts ir apmēram divas reizes lielāks par Mēness izmēru, un tas, iespējams, sastāv no dažādām elementu proporcijām salīdzinājumā ar apkārtējo apvalku.

Lieli, zema ātruma apgabala aktīvi

No kurienes radās šie dīvainie plankumi, kas oficiāli pazīstami kā lielas zema ātruma provinces (LLVP)? Jauns Kalifornijas Tehnoloģiju institūta pētnieku pētījums liecina, ka tās ir senas planētas paliekas, kas pirms miljardiem gadu vardarbīgi sadūrās ar Zemi tādā pašā milzīgā triecienā, kas radīja mūsu Mēnesi.

Pētījums tika publicēts žurnālā daba 1. novembrī tā piedāvā arī atbildi uz citu noslēpumu planetārajā zinātnē. Pētnieki jau sen ir pieņēmuši, ka Mēness radās pēc milzīgas sadursmes starp Zemi un mazāku planētu, ko sauc par Teiju, taču asteroīdu joslā vai meteorītos nav atrastas Tejas pēdas. Šis jaunais pētījums liecina, ka lielākā daļa Theia tika absorbēta jaunajā Zemē, veidojot LLVP, savukārt sadursmē palikušās atliekas tika absorbētas Mēness.

Zemes vizualizācija ar lieliem blīvas matērijas “lāsumiem” netālu no Zemes kodola. Šie punkti tika atklāti pagājušā gadsimta astoņdesmitajos gados. Tagad pētnieki norāda, ka patiesībā tās ir senas planētas Theia paliekas, kas sadūrās ar Zemi, veidojot Mēnesi. Kredīts: Edvards Garnero

Pētījuma metodoloģija un rezultāti

Pētījumu vadīja Qian Yuan, Oakey Earle pēcdoktorantūras zinātniskais līdzstrādnieks Pola Asimo (MS ’93, PhD ’97), Eleonoras un Džona R. Makmilanu ģeoloģijas un ģeoķīmijas profesoru laboratorijās; un Michael Jorness, John E. un Hazel S. Smits ģeofizikas profesors un Clarence R. Allen Leadership katedra, Caltech seismiskās laboratorijas direktors un Caltech Schmidt Programmatūras inženierijas akadēmijas direktors.

Zinātnieki pirmo reizi atklāja LLVP, mērot seismiskos viļņus, kas ceļo pa Zemi. Seismiskie viļņi pārvietojas ar dažādu ātrumu caur dažādiem materiāliem, un 1980. gados parādījās pirmie mājieni par liela mēroga trīsdimensiju variācijām dziļi Zemes struktūrā. Dziļākajā apvalkā seismisko viļņu modelī dominē divu lielu Zemes kodola tuvumā esošo struktūru pazīmes, kurās, pēc pētnieku domām, ir neparasti augsts dzelzs līmenis. Šis augstais dzelzs saturs nozīmē, ka apgabali ir blīvāki nekā to apkārtne, izraisot seismiskos viļņus, kas iet caur tiem, palēnināt, kā rezultātā tiek iegūts nosaukums “lielas zema ātruma provinces”.

Juaņs, pēc izglītības ģeofiziķis, 2019. gadā piedalījās simpozijā par planētu veidošanos, ko vadīja Arizonas štata universitātes profesors Mihails Zolotovs. Zolotovs iepazīstināja ar milzu trieciena hipotēzi, savukārt Cjaņs norādīja, ka Mēness ir salīdzinoši bagāts ar dzelzi. Zolotovs piebilda, ka nav atrastas transportlīdzekļa pēdas, kas noteikti bija sadūrušās ar zemi.

“Tūlīt pēc tam, kad Maikls teica, ka neviens nezina, kur pašlaik atrodas trieciena objekts, es piedzīvoju “eureka momentu” un sapratu, ka ar dzelzi bagātais trieciena objekts varētu būt pārveidots par mantijas lāsēm,” stāsta Juaņa.

Detalizēta simulācija par Theia ietekmi uz Zemi. Lai gan trieciens bija vardarbīgs, tas nebija pietiekami spēcīgs, lai izkausētu Zemes apakšējo apvalku, kas nozīmē, ka Tejas paliekas varēja saglabāties, nevis viendabīgi sajauktas ar Zemes materiālu. Kredīts: Hong Bing Ding

Juaņa strādāja ar starpdisciplināriem līdzstrādniekiem, lai modelētu dažādus scenārijus Theia ķīmiskajam sastāvam un tā ietekmei uz Zemi. Simulācijas apstiprināja, ka sadursmes fizika var izraisīt gan LLVP, gan Mēness veidošanos. Iespējams, ka daļa no Theia mantijas tika iekļauta Zemes apvalkā, kur tā galu galā apvienojās un izkristalizējās kopā, veidojot divus atšķirīgus lāses, kuras šodien var noteikt pie mantijas kodola robežas; Citi sadursmes atkritumi sajaucās kopā, veidojot Mēnesi.

Sekas un turpmākie pētījumi

Ņemot vērā šo vardarbīgo ietekmi, kāpēc Teijas materiāls sakrājās divās atšķirīgās vietās, nevis sajaucās ar pārējo veidojošo planētu? Pētnieku simulācijas parādīja, ka liela daļa enerģijas no Theia trieciena palika apvalka augšējā daļā, atstājot Zemes apakšējo apvalku vēsāku nekā iepriekšējie zemas izšķirtspējas trieciena modeļi. Tā kā trieciena apakšdaļa nebija pilnībā izkususi, ar dzelzi bagāta materiāla plankumi no Theia palika lielākoties neskarti, kad tas tika izsijāts līdz apvalka pamatnei, piemēram, krāsaini parafīna vaska gabali nodzisušajā lavas lampā. Ja apakšējā mantija būtu bijusi karstāka (tas ir, sadursmes rezultātā saņēmusi vairāk enerģijas), tā būtu labāk sajaukta ar dzelzi bagātiem materiāliem, piemēram, krāsām krāsas traukā.

Nākamie soļi ir izpētīt, kā Theia neviendabīgā materiāla agrīna klātbūtne dziļi Zemē ietekmēja mūsu planētas iekšējos procesus, piemēram, plātņu tektoniku.

“Idejas, ka LLVP ir Theia paliekas, loģiskās sekas ir tādas, ka tās ir ļoti senas,” saka Asimovs. “Tāpēc ir jēga pēc tam izpētīt, kādas sekas tiem bija uz Zemes agrīno evolūciju, piemēram, subdukcijas sākšanos, pirms apstākļi kļuva piemēroti mūsdienu plātņu tektonikai, pirmo kontinentu veidošanos un vecāko tektonisko plākšņu izcelsmi. Izdzīvošana no Zemes minerāliem.”

Jauns pētījums sniedz atbildes uz diviem ilgstošiem planētu zinātnes noslēpumiem: kas ir milzīgie, noslēpumainie materiāla “puči” netālu no Zemes kodola un kas notika ar planētu, kas sadūrās ar Zemi, lai izveidotu Mēnesi? Jauns Kalifornijas Tehnoloģiju institūta pētījums liecina, ka šīs senās planētas paliekas joprojām pastāv Zemes iekšienē, izskaidrojot “pūtīšu” izcelsmi netālu no kodola un mantijas robežas.

Atsauce: “Mēness veidošanās sadursme kā Zemes bazālās mantijas anomālijas avots”, autori Qian Yuan, Mingming Li un Stephen J. Dešs, Bjūns Kūns, Honpengs Dens un Edvards Dž. Gārnero, Treviss S.J. Gabriels un Džeikobs A. , Vincents Eke un Pols D. Asimovs, 2023. gada 32. oktobris, daba.
doi: 10.1038/s41586-023-06589-1

Cjaņ Juaņs ir pirmais autors. Papildus Yuan un Asimo, papildu līdzautors Caltech ir Yoshinori Miyazaki, Stanback pēcdoktorantūras pētnieks, kas iesaistīts salīdzinošajā planētu evolūcijā. Papildu līdzautori ir Mingming Li, Stīvens Dešs un Edvards Gārnero (PhD ’94) no Arizonas Valsts universitātes (ASU); Byungkwan Ko no Arizonas Valsts universitātes un Mičiganas štata universitātes; Hongpings Dings no Ķīnas Zinātņu akadēmijas; Treviss Gabriels no USGS; Jēkabs Ķēģeris NASAEimsa pētniecības centrs; un Vincents Eke no Daremas universitātes. Finansējumu nodrošināja Nacionālais zinātnes fonds, Aoki Earle pēcdoktorantūras stipendija Caltech, USGS, NASA un Caltech salīdzinošās planētu evolūcijas centrs.