Геологи обнаружили первые свидетельства существования «протоземли»
Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) и других научных центров обнаружили чрезвычайно редкие фрагменты прото-Земли. Эта планета сформировалась около 4,5 миллиарда лет назад, еще до колоссального столкновения, которое необратимо изменило ее состав и создало ту Землю, которую мы знаем. Результаты исследования опубликовали в журнале Nature Geosciences. Они помогут ученым лучше понять, из каких первоначальных материалов формировалась ранняя Земля и остальная Солнечная система.
Миллиарды лет назад Солнечная система представляла собой вращающийся диск из газа и пыли. Со временем эти вещества сгруппировались и образовали первые метеориты. Затем эти метеориты слились в единое целое и сформировали прото-Землю и соседние с ней планеты. На этом раннем этапе Земля, вероятно, была каменистой и покрытой кипящей лавой.
Менее чем через 100 миллионов лет в молодую планету врезался метеорит размером с Марс. Это столкновение полностью перемешало и расплавило недра планеты и фактически обновило ее химический состав. Ранее считалось, что любой первоначальный материал прото-Земли был полностью преобразован в результате этого события.
Однако команда из MIT выяснила, что это не так. Исследователи обнаружили в древних породах химическую сигнатуру, которая отличается от большинства других материалов на современной Земле. Эта сигнатура представляет собой едва заметное отклонение в соотношении изотопов калия. Ученые нашли его в образцах очень старых пород, которые подняли с большой глубины. Команда определила, что ни прошлые крупные столкновения, ни современные геологические процессы на Земле не могли создать такое соотношение изотопов.
Наиболее вероятное объяснение химического состава образцов заключается в том, что это остатки материала прото-Земли. Этот материал каким-то образом сохранился в неизменном виде, пока большая часть планеты плавилась и менялась.
«Возможно, это первое прямое доказательство того, что мы нашли сохранившиеся материалы прото-Земли, — сказала Николь Ни, доцент кафедры наук о Земле и планетах в MIT. — Мы видим фрагмент очень древней Земли, существовавшей еще до гигантского столкновения. Это удивительно, потому что мы ожидали, что эволюция Земли постепенно сотрет эту раннюю сигнатуру».
В этом исследовании команда искала признаки аномалий калия не в метеоритах, а внутри самой Земли. Их образцы включали порошки из пород Гренландии и Канады, где находятся одни из старейших сохранившихся пород. Они также проанализировали отложения лавы, которые собрали на Гавайях. Там вулканы вынесли на поверхность одни из самых древних и глубоких материалов из мантии — самого толстого слоя планеты. «Если эта калиевая сигнатура сохранилась, то ее нужно искать в древних и глубоких породах Земли», — объяснила Николь Ни.
Сначала команда растворила различные порошковые образцы в кислоте, затем аккуратно отделила калий от остальной части пробы. После этого ученые использовали специальный масс-спектрометр, чтобы измерить соотношение трех изотопов калия. Они обнаружили в образцах изотопную сигнатуру, которая отличалась от той, что находят в большинстве материалов на Земле. В частности, они выявили дефицит изотопа калий-40.
Этот изотоп и так составляет ничтожно малую долю по сравнению с двумя другими изотопами калия в большинстве земных материалов. Но исследователи смогли определить, что в их образцах процент калия-40 был еще меньше. По словам Николь Ни, эти материалы были устроены иначе по сравнению с большинством того, что есть на Земле сегодня.
Чтобы проверить, являются ли образцы остатками прото-Земли, исследователи провели моделирование. Они предположили, что прото-Земля изначально состояла из таких материалов с дефицитом калия-40. Затем они смоделировали, как гигантское столкновение и последующие удары метеоритов изменили бы этот состав. В расчетах они использовали данные обо всех известных метеоритах. Ученые также учли геологические процессы, которые происходили на Земле с течением времени, например, нагрев и перемешивание мантии.
В итоге их моделирование показало состав с немного более высокой долей калия-40, чем в образцах из Канады, Гренландии и Гавайев. Что еще важнее, смоделированный состав совпал с составом большинства современных земных материалов. Эта работа говорит о том, что материалы с дефицитом калия-40, скорее всего, являются остатками исходного вещества прото-Земли.
Интересно, что сигнатура образцов не совпадает в точности ни с одним из метеоритов в геологических коллекциях. Это означает, что те метеориты и материалы, из которых изначально сформировалась прото-Земля, еще предстоит найти. «Ученые пытались понять первоначальный химический состав Земли, комбинируя составы разных групп метеоритов, — сказала Николь Ни. — Но наше исследование показывает, что текущий список метеоритов неполон, и нам еще многое предстоит узнать о том, откуда взялась наша планета».
Ранее ученые выяснили, что пригодной для жизни Землю сделала космическая случайность. О каком событии идет речь — рассказали здесь.
Иллюстрация Pixabay
Самое популярное
