Ученые предсказывают, как быстро застывал древний магматический океан

Предыдущие исследования подсчитали, что океану магмы потребовались сотни миллионов лет, чтобы затвердеть, но новое исследование Университета штата Флорида, опубликованное в Связь с природой Эти большие неопределенности сужаются до чуть менее двух миллионов лет.

«Этот океан магмы был важной частью истории Земли, и это исследование помогает нам ответить на некоторые фундаментальные вопросы о планете», — сказал Минак Мукерджи, доцент кафедры геологии Департамента наук о Земле, океане и атмосфере.

Когда магма остывает, она образует кристаллы. Где окажутся эти кристаллы, зависит от вязкости магмы и относительной плотности кристаллов. Более плотные кристаллы, вероятно, опустятся и, таким образом, изменят состав оставшейся магмы. Скорость затвердевания магмы зависит от того, насколько она вязкая. Менее вязкая магма будет остывать быстрее, в то время как более густой магматический океан будет остывать дольше.

Как и это исследование, предыдущие исследования использовали основные принципы физики и химии для моделирования высоких давлений и температур в недрах Земли. Ученые также используют эксперименты для моделирования этих экстремальных условий. Но этот опыт ограничен более низкими давлениями, которые обнаруживаются на небольших глубинах внутри Земли. Они не полностью отражают сценарий, существовавший в ранней истории планеты, когда магматический океан простирался до глубин, где давление, вероятно, было в три раза выше, чем могли воспроизвести эксперименты.

Чтобы обойти эти ограничения, Мукерджи и его сотрудники проводили свои симуляции на срок до шести месяцев в высокопроизводительном вычислительном центре бывшего Советского Союза, а также в вычислительном центре Национального научного фонда. Это устранило большую часть статистической неопределенности в предыдущей работе.

«Земля — большая планета, поэтому давление на глубине, вероятно, будет очень высоким», — сказал Сурадж Баджин, бывший научный сотрудник Университета штата Флорида, который сейчас является приглашенным доцентом в Государственном университете Лейк-Супериор. «Даже если мы знаем вязкость магмы на поверхности, это не говорит нам о вязкости на сотнях километров ниже. Вычислить это очень сложно».

Исследование также помогает объяснить химическое разнообразие, обнаруженное в нижней мантии Земли. Образцы лавы — так называют магму после того, как она проникла на поверхность Земли — кристаллизуются с холмов на дне океана и на вулканических островах, таких как Гавайи и Исландия, в базальтовые породы с похожим внешним видом, но разным химическим составом. Ученые Земли.

«Почему у них есть отчетливые химические или химические сигналы?» — сказал Мукерджи. «Поскольку магма возникает из-под поверхности Земли, это означает, что источник магмы там имеет химическое разнообразие. Как вообще возникло это химическое разнообразие и как оно сохранилось в течение геологического времени?»

Отправной точкой для химического разнообразия в мантии можно успешно объяснить океан магмы в ранней истории Земли с низкой вязкостью. Менее вязкая магма привела к быстрому отделению взвешенных в ней кристаллов, процесс, который часто называют частичной кристаллизацией. Это создало смесь различных химических веществ в магме, а не однородный состав.

Соавторами этой статьи выступили аспирант Аарон Вольфганг Эшли из Университета штата Флорида, а также Дипа Гош и Биджайя Карки с факультета геологии и геофизики ЛГУ.

Эта работа финансировалась Национальным научным фондом.