Dziwne plamy w głębokim płaszczu to pozostałości starożytnej planety

Duże prowincje o niskiej prędkości (LLVP) w głębokim płaszczu Ziemi mogą być pozostałościami materiału płaszcza Theyan. Źródło: Hongping Ding i Hangzhou Field Studio

Badania przeprowadzone przez Kalifornijski Instytut Technologii sugerują, że dwie masywne, bogate w żelazo struktury głęboko w płaszczu Ziemi to pozostałości Thei, starożytnej planety, która zderzyła się z Ziemią, tworząc również Księżyc. To odkrycie odpowiada na zadawane od dawna pytania dotyczące pochodzenia Księżyca i losów Thei.

W latach 80. geofizycy dokonali zaskakującego odkrycia: głęboko w centrum Ziemi odkryto dwie plamy wielkości kontynentu wykonane z niezwykłych materiałów, jedną pod kontynentem afrykańskim, a drugą pod Oceanem Spokojnym. Każda kropka jest około dwa razy większa od Księżyca i prawdopodobnie składa się z pierwiastków w innych proporcjach w porównaniu do otaczającego ją płaszcza.

Duże aktywa hrabstwa o niskiej prędkości

Skąd wzięły się te dziwne plamy – oficjalnie znane jako duże prowincje małej prędkości (LLVP) –? Nowe badania przeprowadzone przez naukowców z California Institute of Technology sugerują, że są to pozostałości starożytnej planety, która miliardy lat temu gwałtownie zderzyła się z Ziemią w tym samym gigantycznym uderzeniu, które doprowadziło do powstania naszego Księżyca.

Badanie opublikowano w czasopiśmie Natura 1 listopada proponuje także odpowiedź na inną zagadkę planetologii. Naukowcy od dawna zakładali, że Księżyc powstał w wyniku gigantycznego zderzenia Ziemi z mniejszą planetą zwaną Theą, jednak nie znaleziono żadnych śladów Thei w pasie asteroid ani w meteorytach. Nowe badanie sugeruje, że większość Thei została wchłonięta przez młodą Ziemię, tworząc LLVP, podczas gdy pozostałości powstałe po zderzeniu zostały wchłonięte przez Księżyc.

Wizualizacja Ziemi z dużymi „plamkami” gęstej materii w pobliżu jądra Ziemi. Punkty te odkryto w latach 80. XX wieku. Teraz badacze sugerują, że w rzeczywistości są to pozostałości starożytnej planety Theia, która zderzyła się z Ziemią, tworząc Księżyc. Źródło: Edward Garnero

Metodologia i wyniki badań

Badaniami kierował Qian Yuan, pracownik naukowy podoktorski Oakey Earle w laboratoriach Paula Asimo (MS ’93, PhD ’97), profesora geologii i geochemii Eleanor i Johna R. MacMillanów; oraz Michael Jorness, profesor geofizyki Johna E. i Hazel S. Smits oraz przewodniczący kierownictwa Clarence R. Allen, dyrektor laboratorium sejsmicznego Caltech i dyrektor Akademii Inżynierii Oprogramowania Schmidta w Caltech.

Naukowcy po raz pierwszy odkryli LLVP, mierząc fale sejsmiczne przemieszczające się przez Ziemię. Fale sejsmiczne przemieszczają się z różną prędkością przez różne materiały, a w latach 80. XX wieku pojawiły się pierwsze wskazówki dotyczące wielkoskalowych trójwymiarowych zmian głęboko w strukturze Ziemi. W głębszym płaszczu układ fal sejsmicznych jest zdominowany przez sygnatury dwóch dużych struktur w pobliżu jądra Ziemi, które według badaczy zawierają niezwykle wysoki poziom żelaza. Ta wysoka zawartość żelaza oznacza, że ​​obszary te są gęstsze niż ich otoczenie, co powoduje spowolnienie przepływających przez nie fal sejsmicznych, co prowadzi do nazwy „duże prowincje o niskiej prędkości”.

Yuan, z wykształcenia geofizyk, uczestniczył w sympozjum na temat powstawania planet prowadzonym przez Michaiła Zołotowa, profesora na Uniwersytecie Stanowym w Arizonie, w 2019 r. Zołotow przedstawił hipotezę gigantycznego uderzenia, natomiast Qian zwrócił uwagę, że Księżyc jest stosunkowo bogaty w żelazo. Zołotow dodał, że nie natrafiono na żaden ślad pojazdu, który na pewno zderzył się z ziemią.

„Zaraz po tym, jak Michael powiedział, że nikt nie wie, gdzie obecnie znajduje się obiekt uderzenia, przeżyłem „moment eureki” i zdałem sobie sprawę, że obiekt uderzenia bogaty w żelazo mógł zostać przekształcony w plamy płaszcza” – mówi Yuan.

Szczegółowa symulacja uderzenia Thei w Ziemię. Chociaż uderzenie było gwałtowne, nie było na tyle silne, aby stopić dolny płaszcz Ziemi, co oznacza, że ​​pozostałości Thei mogły zostać zachowane, a nie jednorodnie zmieszane z materią Ziemi. Źródło: Hong Bing Ding

Yuan współpracował z interdyscyplinarnymi współpracownikami, aby modelować różne scenariusze składu chemicznego Thei i jej wpływu na Ziemię. Symulacje potwierdziły, że fizyka zderzenia może prowadzić do powstania zarówno LLVP, jak i Księżyca. Jest możliwe, że część płaszcza Thei została włączona do płaszcza Ziemi, gdzie ostatecznie połączyła się i skrystalizowała, tworząc dwie odrębne plamy, które można dziś wykryć na granicy płaszcz-jądro; Inne pozostałości po zderzeniu zmieszały się, tworząc Księżyc.

Implikacje i przyszłe badania

Biorąc pod uwagę to gwałtowne uderzenie, dlaczego materia Thei zebrała się w dwóch odrębnych miejscach, zamiast zmieszać się z resztą tworzącej się planety? Symulacje badaczy wykazały, że znaczna część energii pochodzącej z uderzenia Thei pozostała w górnej połowie płaszcza, przez co dolny płaszcz Ziemi był chłodniejszy, niż szacowano w poprzednich modelach uderzenia o niskiej rozdzielczości. Ponieważ dolny płaszcz nie stopił się całkowicie w wyniku uderzenia, plamy bogatego w żelazo materiału z Thei pozostały w dużej mierze nienaruszone, gdy przesiały się do podstawy płaszcza, niczym kolorowe grudki parafiny w zgaszonej lampie lawowej. Gdyby dolny płaszcz był cieplejszy (to znaczy otrzymał więcej energii w wyniku zderzenia), lepiej zmieszałby się z materiałami bogatymi w żelazo, takimi jak kolory w garnku z farbą.

Kolejnym krokiem będzie zbadanie, jak wczesna obecność heterogenicznego materiału Theia w głębi Ziemi wpłynęła na wewnętrzne procesy zachodzące na naszej planecie, takie jak tektonika płyt.

„Logiczną konsekwencją poglądu, że LLVP są pozostałością Thei, jest to, że są bardzo starożytne” – mówi Asimov. „Zatem sensowne jest zbadanie, jakie miały one konsekwencje dla wczesnej ewolucji Ziemi, takie jak początek subdukcji, zanim warunki stały się odpowiednie dla współczesnej tektoniki płyt, powstanie pierwszych kontynentów i pochodzenie najstarszych płyt tektonicznych. minerałów Ziemi.”

Nowe badania odpowiadają na dwie od dawna zagadki planetologii: czym są gigantyczne, tajemnicze „plamy” materiału w pobliżu jądra Ziemi i co stało się z planetą, która zderzyła się z Ziemią, tworząc Księżyc? Nowe badanie przeprowadzone przez Kalifornijski Instytut Technologii sugeruje, że pozostałości tej starożytnej planety nadal istnieją na Ziemi, co wyjaśnia pochodzenie „plamek” w pobliżu granicy jądra i płaszcza.

Odniesienie: „Kolizja tworząca Księżyc jako źródło anomalii podstawowego płaszcza Ziemi” autorstwa Qian Yuan, Mingming Li i Stephen J. Desch, Byung-Kwan Koo, Hongpeng Deng i Edward J. Garnero, Travis S.J. Gabriel i Jacob A. , Vincenta Ecke i Paula D. Asimov, 32 października 2023 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06589-1

Qian Yuan jest pierwszym autorem. Oprócz Yuana i Asimo dodatkowym współautorem w Caltech jest Yoshinori Miyazaki, badacz ze stopniem doktora w Stanback zajmujący się porównawczą ewolucją planet. Dodatkowymi współautorami są Mingming Li, Stephen Desch i Edward Garnero (doktorat ’94) z Arizona State University (ASU); Byungkwan Ko z Arizona State University i Michigan State University; Hongping Ding z Chińskiej Akademii Nauk; Travis Gabriel z USGS; Jakub Kegeris NASACentrum Badawcze Amesa; i Vincent Ecke z Uniwersytetu w Durham. Finansowanie zapewniła National Science Foundation, stypendium podoktorskie Aoki Earle w Caltech, USGS, NASA i Caltech Center for Comparative Planetary Evolution.