В процессе формирования нашей планеты из первичной материи Солнечной системы, ее внутренние слои начали интенсивно нагреваться и разделяться на отдельные части. В результате сформировалось металлическое ядро, окруженное жидкой мантией, которая, в свою очередь, покрыта тонкой силикатной оболочкой. До сих пор ученые не пришли к общему мнению относительно механизма затвердевания расплава – происходило ли это сверху вниз или наоборот. Недавние расчеты демонстрируют, что этот вопрос не имеет принципиального значения: даже в наиболее неблагоприятных условиях на заключительном этапе остывания на границе ядра и мантии возникнет магматический океан.
Существование глобального магматического океана на ранних этапах формирования планеты, подобной Земле, считается практически доказанным. Изотопные аномалии в магматических породах и анализ включений благородных газов в вулканических породах указывают на то, что он существовал в первые 100 миллионов лет истории Земли.
Геологическая история планеты неразрывно связана с процессом затвердевания глобального мантийного океана. Это подтверждается ранними проявлениями расслоения силикатов, а также обширные провинции в нижней мантии с низкой скоростью сдвиговых волн и небольшие зоны сверхнизких скоростей.
Геохимические и сейсмические данные свидетельствуют о том, что последние остатки магматического океана располагались на значительной глубине, над границей между ядром и мантией. Это не согласуется с традиционной моделью магматических океанов, согласно которой остывание происходило снизу вверх, а при кристаллизации расплава твердая фаза наращивалась от основания. Согласно альтернативному сценарию, остывание началось в средней части мантии, что привело к разделению океана. Верхняя часть кристаллизовалась быстрее благодаря эффективному теплообмену с поверхностью, в то время как нижняя часть остывала медленнее, перемещая остатки расплава к границе с ядром.
На формирование твердой мантии оказывали воздействие термодинамические характеристики расплава, в особенности, места кристаллизации твердой фазы и области, где концентрировались твердая и жидкая фазы. Не менее важным было то, насколько эффективно происходило разделение этих фаз. Отделение кристаллических образований от расплава приводило бы к появлению химических неоднородностей в застывшей мантии. В противном случае она бы затвердела как монолит.
Ранее уделялось недостаточное внимание поздним этапам затвердевания магматического океана, когда доля кристаллической фазы была существенной. Исследователи из Франции и Канады попытались восполнить этот пробел в знаниях. Их статья посвящена этому опубликована в журнале Nature.
Авторы использовали новый геодинамический подход, адаптированный для работы с вязкими средами, в сочетании с кодом Бомбари. Этот программный комплекс предназначен для моделирования процессов, происходящих в мантии Земли, в особенности связанных с глубинными аномалиями сейсмических волн.
Согласно результатам моделирования, базальный магматический океан сформировался в области, прилегающей к границе ядра и мантии, в результате накопления твердой фазы, содержащей FeO, и жидкой фазы. В этом процессе кристаллы FeO легче перемещались, а более плотный, насыщенный FeO расплав опускался. На заключительном этапе кристаллизации были получены структуры, демонстрирующие сходство с сейсмическими аномалиями, зафиксированными в нижней мантии.
Ученые изучили наиболее неблагоприятные условия для формирования базального магматического океана. Даже в таких обстоятельствах, на заключительном этапе, когда магма трансформировалась в плотную смесь кристаллов и остаточного расплава, его образование является неизбежным. Вероятно, это характерный сценарий для Земли и планет, схожих с ней. Теперь эволюция магматического океана представляется более комплексным процессом, что необходимо учитывать при разработке дальнейших моделей.