После изучения образцов древних пород, добытых в Гренландии, Канаде и Южной Африке, ученые из международной исследовательской группы выявили в них признаки вещества, из которого формировалась прото-Земля – планета-предшественница, существовавшая до масштабного столкновения, приведшего к образованию Луны.
Около 4,5 миллиарда лет назад Земля представляла собой раскаленный шар из лавы, сформировавшийся из газа и пыли в беспорядочном диске, окружавшем молодую Солнечную систему. Предполагается, что современный вид нашей планеты появился в результате столкновения с гипотетической планетой Тейей — объектом, сравнимым по размеру с Марсом, который мог состоять из вещества, схожего с углеродистыми хондритами. Столкновение было настолько мощным, что расплавило недра прото-Земли, фактически изменив ее химический состав, а из обломков, как полагают некоторые группы ученых, сформировалась Луна.
Для выяснения того, остались ли в мантии Земли свидетельства о существовании более ранней планеты, геологи во главе с Да Ваном (Da Wang) из Технологического университета Чэнду (Китай) и Николь Ни (Nicole X. Nie) из Массачусетского технологического института (США) провели анализ образцов мафических пород (базальтов), взятых из разных геологических зон, включая древнейшие части земной коры и современные вулканические области.
Образцы магических пород были отобраны из геологических коллекций, задокументированных в ходе предыдущих экспедиций. В их число вошли материалы, найденные в древних кристаллических комплексах, таких как пояс Исуа (Гренландия), зеленокаменный пояс Нуввуагиттук (Канада) и кратон Каапвааль (Южная Африка). В выборку вошли образцы, происходящие из различных глубин и геологических эпох земной мантии.
Для получения дополнительной информации исследователи также изучили современные базальты, происходящие с острова Реюньон (Индийский океан), и подводного вулкана Камаэхуаканалоа (Гавайи). Эти регионы характеризуются тем, что магматические породы поднимаются из глубоко залегающих мантийных резервуаров, что позволяет рассматривать их как современное «окно» в геологическое прошлое Земли.
Используя метод масс-спектрометрии с термической ионизацией (TIMS), исследователи смогли с высокой степенью точности установить соотношение между тремя изотопами калия: ³⁹К (наиболее распространенным), ⁴⁰К (наиболее редким) и ⁴¹К (встречающимся в небольшом количестве). Этот метод позволяет определить соотношение атомов одного и того же элемента (калия), отличающихся числом нейтронов.
Калий является литофильным элементом, то есть образует соединения с каменными породами, и не встречается в металлах или газах. Поэтому его изотопный состав предоставляет информацию об истории формирования и эволюции земной коры и мантии. Для проведения таких исследований требуется высокая точность, достигающая десятых долей миллионной доли, поскольку разница между современным составом Земли и веществом прото-Земли крайне мала и ее выявление затруднено.
В результате проведенных исследований было установлено, что в некоторых породах, относящихся к мафическим, из областей Исуа и Нуввуагиттук, а также в отдельных современных базальтах, происходящих из Реюньона и Гавайев, наблюдается незначительный, но постоянный дефицит изотопа ⁴⁰К. Это свидетельствует о наличии глубоко залегающего резервуара вещества, который образовался до крупного столкновения и сохранялся в земной мантии.
Ван и Ни сопоставили полученные данные с моделями, имитирующими смешение вещества Земли и метеоритов. Анализ выявил, что для объяснения современного химического состава мантии необходимо считать, что дефицит изотопа ⁴⁰К до столкновения прото-Земли с Тейей составлял около —0,65 миллионной доли. Впоследствии к этому дефициту добавилось примерно 9-12% метеоритного вещества, характеризующегося более высоким содержанием ⁴⁰К. Таким образом, около 25% всего калия, присутствующего в земной мантии, предположительно имеет внеземное происхождение.
Таким образом, создатели научной работы, опубликованной в журнале Nature Geoscience,
подтвердили, что в недрах нашей планеты присутствуют неразмешанные участки первичной мантии прото-Земли. Последние, как оказалось, до сих пор участвуют в вулканических процессах в Реюньоне и на Гавайях.
«Благодаря этим районам мы можем „наблюдать“ сохранившиеся участки древней Земли», — подытожила Николь Ни.