Возможные химические остатки ранней Земли обнаружены около ядра.

Давайте совершим путешествие глубоко под землю, сквозь кору и мантию почти до ядра. Мы будем использовать сейсмические волны, чтобы указать путь, поскольку они отражаются от планеты после землетрясения и раскрывают ее внутреннюю структуру, как волны радара.

Вниз к сердцу, там Регионы Где сейсмические волны замедляются до точки ползучести. Новое исследование Университета Юты показало, что в этих таинственных и так называемых регионах с чрезвычайно низкой скоростью движения есть удивительные слои. Моделирование предполагает, что возможно, что некоторые из этих областей являются остатками процессов, которые сформировали раннюю Землю — остатками неоднородного перемешивания, как комки муки на дне чаши смеси.

Торн, доцент кафедры геологии и геофизики: «Из всех особенностей глубокой мантии, которые нам известны, области очень низкой скорости представляют собой то, что может быть наиболее экстремальным». «Фактически, это одни из самых экстремальных черт, которые можно найти где-либо на планете».

Исследование опубликовано в естественные науки о Земле Он финансируется Национальным научным фондом.

в плаще

Давайте рассмотрим, как устроены недра. Мы живем на коре, тонком слое твердой породы. Между корой и железо-никелевым ядром в центре планеты находится мантия. Это не океан лавы — он больше похож на твердую скалу, но он горячий и обладает способностью двигаться, что приводит к движению тектонических плит на поверхности.

Как мы можем понять, что происходит в мантии и ядре? сейсмические волны. Колебаясь по земле после землетрясения, ученые на поверхности могут измерить, как и когда волны достигают станций мониторинга по всему миру. С помощью этих измерений они могут рассчитать, как волны отражаются и отклоняются структурами внутри Земли, включая слои разной плотности. Вот как мы узнаем границы между корой, мантией и ядром — и отчасти как мы узнаем, каковы их компоненты.

Области очень низких скоростей расположены в нижней части мантии, над внешним ядром жидкого металла. В этих регионах сейсмические волны замедляются вдвое, а их интенсивность возрастает на треть.

Ученые первоначально думали, что эти области были областями частично расплавленной мантии, возможно, источником магмы для так называемых «горячих» вулканических регионов, таких как Исландия.

«Но большая часть того, что мы называем областями с очень низкой скоростью, похоже, не находится под горячими точками вулканов, так что это не может быть всей историей», — говорит Торн.

Итак, Торн, доктор наук Сурья Бачаи и его коллеги из Австралийского национального университета, Университета штата Аризона и Университета Калгари решили исследовать альтернативную гипотезу: регионы с очень низкой скоростью могут быть регионами, состоящими из разных пород. мантия — и что ее состав может восходить к истокам земли.

«Возможно, области сверхнизких скоростей могут быть кластерами оксида железа, которые мы видим на поверхности как ржавчина, но могут вести себя как металл в глубокой мантии», — говорит Торн. Если это так, то карманы оксида железа за пределами ядра могут повлиять на магнитное поле Земли, генерируемое непосредственно под ним.

«Физические свойства областей сверхнизких скоростей связаны с их происхождением, — говорит Бачаи, — что, в свою очередь, дает важную информацию о тепловом и химическом состоянии, эволюции и динамике нижней мантии Земли — важной части мантийной конвекции. это движет тектоникой плит ».

Обратно спроектированные сейсмические волны

Чтобы получить четкую картину, исследователи изучили районы со сверхнизкими скоростями под Коралловым морем, между Австралией и Новой Зеландией. Это идеальное место из-за высокой сейсмичности региона, что позволяет получить сейсмическое изображение границы ядро-мантия с высоким разрешением. Была надежда, что наблюдения с высоким разрешением позволят больше узнать о том, как группируются области сверхнизких скоростей.

Но получить сейсмическую картину чего-либо через 1800 миль коры и мантии непросто. И это не всегда убедительно — толстый слой низкоскоростного материала может отражать сейсмические волны так же, как тонкий слой низкоскоростного материала.

Таким образом, команда использовала подход обратной инженерии.

«Мы можем создать модель Земли, которая включает в себя очень низкое снижение скорости волн», — говорит Бачаи, а затем запустить компьютерное моделирование, которое расскажет нам, как бы выглядели сейсмические волны, если бы это была реальная форма Земли. Следующий шаг — сравнить эти ожидаемые записи с записями, которые у нас уже есть ».

В ходе сотен тысяч прогонов модели этот метод, называемый байесовской инверсией, дает надежную математическую модель внутренней части с хорошим пониманием неопределенностей и компромиссов различных допущений в модели.

Один конкретный вопрос, на который исследователи хотели ответить, заключался в том, существуют ли внутренние структуры, такие как слои, в областях очень низких скоростей. Согласно моделям, ответ состоит в том, что слои имеют большой вес. Это большая проблема, потому что она показывает способ понять, как выглядят эти области.

«Насколько нам известно, это первое исследование, в котором такой байесовский подход на таком уровне детализации используется для исследования областей с очень низкими скоростями, — говорит Бачаи, — а также первое, в котором показаны сильные слои в области очень низких скоростей». » «

Оглядываясь на истоки планеты

Что означает наличие потенциальных слоев?

Более четырех миллиардов лет назад, когда плотное железо погрузилось в ядро ​​ранней Земли, а более легкие металлы плавали в мантии, планетарное тело размером с Марс могло столкнуться с молодой планетой. Столкновение могло выбросить на орбиту Земли обломки, которые позже могли образовать Луну. Это также резко подняло температуру Земли — как и следовало ожидать от столкновения двух планет.

«В результате образовалась большая масса магмы, известная как океан магмы», — говорит Бачаи. «Океан» состоит из горных пород, газов и кристаллов, взвешенных в магме.

По мере охлаждения океан расслоился бы, а более плотный и слоистый материал опускался бы на дно мантии.

В течение следующих миллиардов лет, когда мантия колебалась и превратилась в конвекцию, плотный слой был бы вытеснен на крошечные участки, превратившись в области расслоения с очень низкой скоростью, которые мы видим сегодня.

«Таким образом, первоначальное и наиболее удивительное открытие состоит в том, что области очень низких скоростей не являются однородными, но действительно имеют сильные неоднородности (структурные и композиционные различия) внутри них», — говорит Бачаи. «Это открытие меняет наше представление о происхождении и динамике очень низких скоростей. регионы. Мы обнаружили, что этот тип области очень низких скоростей можно объяснить химической неоднородностью, которая была создана в начале истории Земли и что они еще не сделали этого. хорошо перемешались после 4,5 миллиардов лет конвекции в мантии «.

Не последнее слово

Исследование предоставляет некоторые свидетельства происхождения некоторых областей с очень низкой скоростью, хотя есть также свидетельства, указывающие на различное происхождение других, например, таяние океанской коры, погружающейся обратно в мантию. Но если хоть какие-то очень низкие ● скорость Эти регионы являются остатками ранней Земли, они хранят часть истории планеты, которая в противном случае была бы утеряна.

«Таким образом, наше открытие предоставляет инструмент для понимания начального термического и химического состояния Земли. плащи его долгосрочное развитие », — говорит Бачаи. »