Это исследование предлагает важное новое понимание не только внутренней структуры Земли, но и ее долгосрочной эволюции и формирования внутренней солнечной системы.
Образование Луны до сих пор остается загадкой для нескольких поколений ученых. Преобладающая теория предполагает, что на поздних стадиях роста Земли примерно 4,5 миллиарда лет назад произошло масштабное столкновение, известное как "гигантский удар", между первичной Землей (Гайей) и протопланетой размером с Марс, известной как Тейя. Считается, что Луна сформировалась из обломков, образовавшихся в результате этого столкновения.
Численное моделирование показало, что Луна, вероятно, унаследовала материал в основном от Тейи, в то время как Гайя, из-за своей гораздо большей массы, была лишь слегка загрязнена тейским материалом.
Поскольку Гайя и Тейя были относительно независимыми образованиями и состояли из разных материалов, теория предполагала, что Луна, в которой преобладает тейский материал, и Земля, в которой преобладает гайанский материал, должны иметь различный состав. Однако позже высокоточные измерения изотопов показали, что состав Земли и Луны удивительно схож, что ставит под сомнение общепринятую теорию формирования Луны.
Для дальнейшего совершенствования теории формирования Луны, проф. Дэн Сяопин начал проводить исследования по формированию Луны в 2017 году. Он сосредоточился на разработке нового метода вычислительной гидродинамики под названием Meshless Finite Mass (MFM), который позволяет точно моделировать турбулентность и перемешивание материалов.
Используя этот новый подход и проводя многочисленные симуляции гигантского столкновения, проф. Дэн обнаружил, что на ранней Земле после столкновения наблюдалось расслоение мантии, причем верхняя и нижняя мантии имели разный состав и состояние. В частности, верхняя мантия представляла собой океан магмы, образовавшийся в результате тщательного смешивания материала с Гайи и Тейи, в то время как нижняя мантия оставалась в основном твердой и сохранила материальный состав Гайи.
"Предыдущие исследования уделяли чрезмерное внимание структуре диска обломков (предшественника Луны) и упускали из виду влияние гигантского столкновения на раннюю Землю", - сказал Дэн.
После обсуждений с геофизиками из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе проф. Дэн и его коллеги поняли, что это расслоение мантии, возможно, сохранилось до наших дней, что соответствует глобальным сейсмическим отражателям в средней мантии (расположены примерно в 1000 км под поверхностью Земли).
В частности, во всей нижней мантии Земли все еще может преобладать гайанский материал, существовавший до столкновения, который имеет иной элементный состав (включая более высокое содержание кремния), чем в верхней мантии, согласно профессору Дж. Предыдущее исследование Дэна.
"Наши результаты бросают вызов традиционным представлением о том, что гигантского столкновения, привело к гомогенизации ранней Земле", - сказал профессор. Денга. "Вместо этого гигантский удар, образующий луну, по-видимому, является источником неоднородности ранней мантии и отмечает отправную точку геологической эволюции Земли в течение 4,5 миллиардов лет".
Другим примером неоднородности мантии Земли являются две аномальные области, называемые Большими провинциями низких скоростей (LLVPS), которые простираются на тысячи километров у основания мантии. Одна из них расположена под Африканской тектонической плитой, а другая - под Тихоокеанской тектонической плитой. Когда сейсмические волны проходят через эти области, скорость волн значительно снижается.
LLVPS имеют значительные последствия для эволюции мантии, разделения и агрегации суперконтинентов и структур тектонических плит Земли. Однако их происхождение остается загадкой.
Доктор Юань Цянь из Калифорнийского технологического института вместе с коллегами предположил, что LLVPS могли развиться из небольшого количества теианского материала, попавшего в нижнюю мантию Гайи. Впоследствии они пригласили профессора Дж. Дэн изучил распределение и состояние вещества в недрах Земли после гигантского удара.
Исследовательская группа обнаружила, что значительное количество Theian вещества мантии, примерно 2% от земной массы, которое находится в нижней мантии Земли Гайи.
Профессор Затем Дэн пригласил компьютерного астрофизика доктора Джейкоба Кегеррейса подтвердить этот вывод, используя традиционные методы гидродинамики сглаженных частиц (SPH).
Исследовательская группа также подсчитала, что этот материал мантии Тейи, похожий на лунные породы, обогащен железом, что делает его более плотным, чем окружающий материал Гайи. В результате она быстро опустилась на дно мантии и в ходе длительной мантийной конвекции образовали две заметные области LLVP. Эти LLVPS оставались стабильными на протяжении 4,5 миллиардов лет геологической эволюции.
Неоднородность в глубине мантии, будь то срединно-мантийные отражатели или LLVPS у основания, предполагает, что внутренние слои Земли далеки от однородной системы. Фактически, небольшие количества глубоко залегающей неоднородности могут быть вынесены на поверхность мантийными плюмами — цилиндрическими восходящими тепловыми потоками, вызванными мантийной конвекцией, — такими, которые, вероятно, сформировали Гавайи и Исландию.
Например, геохимики, изучающие изотопные соотношения редких газов в образцах исландского базальта, обнаружили, что эти образцы содержат компоненты, отличные от типичных материалов поверхности. Эти компоненты являются остатками неоднородности в глубинах мантии, возраст которых превышает 4,5 миллиарда лет, и служат ключами к пониманию начального состояния Земли и даже формирования близлежащих планет.
По словам доктора Юаня, "Благодаря точному анализу более широкого спектра образцов горных пород в сочетании с более совершенными моделями гигантского удара и моделями эволюции Земли мы можем сделать вывод о составе материала и орбитальной динамике первичной Земли, Гайи и Тейи. Это позволяет нам ограничить всю историю формирования внутренней солнечной системы ".
Профессор Дэн видит еще более широкую роль текущего исследования. "Это исследование даже дает вдохновение для понимания формирования и обитаемости экзопланет за пределами нашей солнечной системы".
Источник: Nature, Китайская академия наук
Информация о космосе также есть в сообществе в ВК https://vk.com/fotoastronomiya
