Океан магми на ранніх етапах Землі: результати моделювання демонструють його сучасний вплив.

Свіже дослідження вказує на можливість існування магматичного океану в ранній етап історії Землі. Ця теорія допомагає зрозуміти незвичайні явища в мантії та припускає, що залишки цього океану можуть впливати на Землю і в наш час.

Глибоко під поверхнею молодої Землі міг існувати величезний океан розплавлених порід — базальний океан магми. Нещодавнє дослідження не лише підтверджує можливість його існування, але й доводить його невідворотність, пропонуючи можливе пояснення для незвичних аномалій, які ми спостерігаємо в мантії нашої планети сьогодні. Ідея про існування цього глибокого магматичного океану на межі між ядром і мантією стала предметом запеклих наукових дискусій протягом багатьох років.

Деякі геохімічні дані свідчать про те, що в перші кілька сотень мільйонів років існування Землі на цій глибокій межі утворилося стійке магматичне море. Однак традиційні моделі формування планети суперечили цій теорії. Вони припускали, що в момент, коли Земля тільки-но сформувалася як розплавлена куля, її поверхня починала затверднити знизу, що ускладнювало уявлення про можливість існування і збереження глибокого океану магми протягом тривалого часу в таких умовах. Ця невідповідність між геохімічними доказами та фізичними моделями створювала серйозні питання в розумінні раннього розвитку нашої планети.

Нові результати дослідження, опубліковані 26 березня в престижному журналі Nature, пропонують рішення для цієї наукової загадки. Дослідники виявили, що океан магми не лише міг існувати, але його виникнення було практично неминучим на ранніх стадіях формування Землі. Моделювання показало, що незалежно від точного місця, де розплавлена новонароджена планета почала кристалізуватися та перетворюватися на тверду масу — чи в глибині мантії, чи безпосередньо на кордоні з ядром — базальний океан все одно утворювався. Це вказує на те, що цей процес є ключовим для планет земного типу.

Залишки цього прихованого магматичного океану, ймовірно, все ще існують у формі величезних структур, відомих як великі області з низькою швидкістю зсуву (LLVP), які іноді називають "краплями" мантії. Це обширні регіони в глибинах мантії, де сейсмічні хвилі від землетрусів рухаються повільніше, ніж в інших частинах мантії. Науковці вже давно ведуть дискусії про походження цих LLVP: чи є вони залишками океанічної кори, яка занурилася (субдукувалася) у мантію протягом останніх кількох сотень мільйонів років, або ж це релікти первісного магматичного океану, що надає їм вік приблизно 4,4 мільярда років.

Нове дослідження рішуче підтримує другу гіпотезу. Отримані результати можуть суттєво змінити наше сприйняття історії Землі, підкреслює головний автор дослідження Чарльз-Едуард Букаре, планетарний фізик з Йоркського університету в Торонто. Якщо LLVP дійсно є залишками давнього магматичного океану, це свідчитиме про те, що основи глибоких шарів Землі були закладені на самих ранніх етапах її існування.

"Це могло б змінити тепловий обмін між ядром і мантією", -- зазначив Букаре в інтерв'ю для Live Science. "Таке явище могло б вплинути на розташування тектонічних плит". Наявність древнього, хімічно відмінного шару на межі ядра та мантії могла б регулювати конвекційні потоки в мантії і передачу тепла від гарячого ядра, що, у свою чергу, позначається на тривалій геологічній активності, включаючи переміщення континентів та вулканічну діяльність.

Вчені розробили нову модель формування Землі, яка інтегрує як геохімічні дані, так і сейсмічні спостереження — два ключові інструменти для дослідження глибокої історії нашої планети. Зокрема, ця модель акцентує увагу на поведінці важливих мікроелементів, які мають хімічну "схильність" залишатися в магмі в процесі кристалізації інших мінералів у тверді породи. Вміст цих мікроелементів у гірських породах може дати уявлення про те, коли і в якому порядку відбувалося застигання мантійних порід. Більшість попередніх досліджень, присвячених цій епосі формування Землі, зосереджувалися на початковому процесі затвердіння мантії та її динаміці в період, коли вона залишалася переважно рідкою.

Команда Букаре зосередилася на дещо пізнішому етапі, аналізуючи момент, коли мантія вже набула достатньої кристалізації, аби вести себе як тверде тіло замість рідкого. Саме на цьому етапі, як виявила модель, механізми утворення базального магматичного океану починали діяти особливо ефективно.

Відповідно до наукової моделі, формування цього океану почалося з появи тонкої оболонки твердих порід на поверхні молодої планети Земля. Ці тверді елементи, будучи відносно прохолодними і менш легкими, ніж мантія під ними, почали занурюватися і знову переплавлятися. З часом, коли мантія охолоджувалася, тверді частинки, що виникали в верхній частині мантії, потрапляли вниз і накопичувалися в нижній частині. Вони містили велику кількість оксиду заліза, який є щільним матеріалом з відносно низькою температурою плавлення. Через цю високу щільність залізоносні тверді речовини опускалися ще глибше, часто знову плавлячись поблизу гарячого ядра планети. Важливим аспектом є те, що, незважаючи на рідкий стан, розплавлений оксид заліза, завдяки своїй високій щільності, не піднімався до поверхні, як це зазвичай відбувається з рідинами в гравітаційному полі. Він залишався глибоко в мантії, де тепло від ядра підтримувало його в рідкому стані, що призвело до утворення стабільного базового океану магми.

Вчені проводили дослідження, змінюючи різні умови у своїй моделі, включаючи глибину формування твердих частинок та інші параметри, проте ці модифікації не мали значного впливу на фінальний результат. Навіть у найменш сприятливих умовах для формування глибокого магматичного океану, він все ж з'являвся в моделі. Це говорить про те, що виявлений механізм є надійним і має глибокі підстави.

Отримані дані вказують на те, що основні елементи будови планети сформувалися на ранніх етапах її існування, зазначає Букаре. "Інакше кажучи, існує певний тип пам'яті", -- додає він. Початкові етапи динаміки планети були закладені дуже давно, і ці давні структури продовжують впливати на подальші зміни Землі. Розуміння цих ранніх процесів є критично важливим для пояснення тривалої еволюції нашої планети.

"Можна сказати, що якщо ми маємо певні початкові умови планети і можемо змоделювати дуже ранні стадії планетарної еволюції, ми можемо передбачити більшу частину її поведінки в довгострокових масштабах часу", -- додає Букаре. Це відкриває шлях до більш точного прогнозування геологічних процесів на Землі.

У майбутньому дослідник має намір покращити моделювання, додавши більше мікроелементів для досягнення ще вищої точності в перевірці геохімічних меж. Крім того, було б захоплююче використати цю модель для аналізу інших планет, зокрема Марсу, щоб вивчити, чи зазнають інші кам'янисті світи схожих трансформацій на етапах свого раннього розвитку.

"Можливо, цей базальний океан -- це не щось унікальне для Землі", -- припускає Букаре. Якщо це так, то розуміння цього процесу може мати фундаментальне значення для всієї планетології та пошуку потенційно жилих світів за межами Сонячної системи.