Ученые из Университета штата Аризона, Калифорнийского технологического института в Пасадене и Даремского университета в Великобритании выяснили, что массивные аномалии в мантии Земли, известные как крупные области с низкой скоростью сдвига, на самом деле являются остатками планеты Тейя. Эта планета врезалась в Землю примерно 4,5 миллиарда лет назад, что привело к формированию Луны. Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в журнале Nature.
Научная работа основана на методах гидродинамического моделирования и исследовании 2019 года, которое показало, что столкновение с планетой размером с Марс должно было привести к расслоению мантии на глубине примерно 1300 километров. Верхний слой представлял собой океан магмы, созданный в результате тщательного перемешивания материала первичной Земли (или Геи) с веществом Тейи, а более твердый нижний слой сохранил первоначальный состав. По оценкам, количество вещества Тейи, попавшего внутрь Земли, составляет 1,6-2 процента массы самой Земли.
Со временем верхний расплавленный слой затвердевал, его отдельные части тонули и накапливались на границе ядра и мантии Земли, где могли сохраняться в течение 4,5 миллиарда лет. Чтобы проследить за дальнейшей судьбой вещества Тейи, находившегося в этом слое, ученые использовали более высокоточное моделирование.
На границе ядра и мантии выявили две аномальные зоны
Ранее сейсмическое картографирование недр Земли выявило две большие аномальные области на границе мантии и ядра, названные крупными областями с низкой скоростью сдвига (LLVP). LLVP находятся под Африкой и Тихим океаном и достигают в поперечнике несколько тысяч километров, составляя шесть процентов объема всей Земли. Так, тихоокеанская LLVP имеет диаметр 3000 километров.
Эти зоны характерны тем, что в них падает скорость сдвиговых волн (S-волн) — поперечных волн, которые распространяются в твердых средах или в жидкостях с очень высокой вязкостью. Это говорит о том, что они резко отличаются по составу от остальной мантии.
Было предложено несколько гипотез появления этих аномалий, включая расслоение мантии Земли или погруженные остатки океанической коры после столкновения Земли с другой планетой на заре существования Солнечной системы. Однако эти сценарии не объясняют наличия относительно большого количества летучих веществ в LLVP. Ученые предположили, что эти летучие компоненты изначально были захвачены Тейей из протопланетной туманности за орбитой Юпитера и удерживались ею до момента столкновения с Землей.
Планета Тейя оставила в недрах Земли сгустки мантии
Чтобы подтвердить, что LLVP действительно представляют собой остатки Тейи, ученые смоделировали погружение вещества протопланеты в мантию Земли, исходя из его химического состава. Поскольку столкновение протопланеты с Землей привело к образованию Луны, то следует ожидать, что химический состав пород на Луне отражает состав мантии Тейи. Известно, что в мантии Луны в больших количествах содержится FeO, а также наблюдается низкое соотношение дейтерия к водороду. Модели воспроизводят эту картину в том случае, если масса FeO в мантии Тейи составляла 13-18 процентов массы всей мантии протопланеты.
Ученые рассчитали, что с учетом содержания FeO вещество мантии Тейи должно было быть на 2-3,5 процента плотнее мантии протоземли. Гидродинамические модели продемонстрировали, что после столкновения из материала Тейи образовались плотные сгустки размером в десятки километров, которые погружались и избегали перемешивания. К тому моменту, когда сгустки достигли ядра, они остыли и затвердели, при этом на затвердевание 50-километрового сгустка уходило всего 1000 лет.
