Новые исследования подтверждают существование глобального слоя расплавленной породы под поверхностью планеты

Новости МирТесен

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.

Существует убедительное подтверждение того, что планеты, подобные Земле, пережили стадию глобального океана расплавленной породы. Изотопные отклонения в составе магматических горных пород и изучение включений редких газов в вулканитах служат доказательством его существования на ранних этапах развития Земли – примерно в первые сто миллионов лет.

Застывание глобального мантийного океана оставило свой отпечаток в геологической летописи планеты. Это подтверждается первыми признаками разделения силикатов, а также обширными 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.

Процессам заключительных этапов кристаллизации магматического океана, когда доля твёрдых кристаллов становится существенной, уделялось недостаточно внимания ранее. Для восполнения этого пробела в исследованиях выступили ученые из Франции и Канады. Их работа посвящена этому вопросу. 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.

Исследователи проанализировали экстремальные условия, способствующие возникновению базального магматического океана. Даже при таких неблагоприятных обстоятельствах, когда расплав переходит в плотную смесь из кристаллов и остаточного жидкого вещества, его появление становится неизбежным. Вероятно, это характерный этап развития для Земли и планет с похожей геологической структурой. Теперь эволюция магматического океана представляется значительно более запутанной, что требует внесения корректировок в будущие расчеты.