|
Свидетельства существования протоземли
|
|
|
|
Ученые Массачусетского технологического института и других организаций обнаружили чрезвычайно редкие остатки "протоземли", которая сформировалась около 4,5 миллиардов лет назад, до того, как колоссальное столкновение необратимо изменило состав примитивной планеты и привело к образованию Земли, какой мы ее знаем сегодня. Их результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature Geosciences, помогут ученым собрать воедино изначальные исходные ингредиенты, из которых сформировалась ранняя Земля и остальная Солнечная система.
|
|
|
|
Миллиарды лет назад ранняя Солнечная система представляла собой вращающийся диск из газа и пыли, который в конечном итоге слипся и накопился, образовав самые ранние метеориты, которые, в свою очередь, слились, образовав протоземлю и соседние с ней планеты.
|
|
|
|
На этой ранней стадии Земля, вероятно, была каменистой и бурлила лавой. Затем, менее чем 100 миллионов лет спустя, метеорит размером с Марс врезался в молодую планету в результате уникального "гигантского удара", который полностью разрушил и расплавил недра планеты, эффективно изменив ее химический состав. Считалось, что из какого бы исходного материала ни была сделана протоземля, он был полностью преобразован.
|
|
|
|
Но результаты работы команды Массачусетского технологического института свидетельствуют об обратном. Исследователи выявили химический признак в древних породах, который отличается от большинства других материалов, обнаруженных на Земле сегодня. Этот признак проявляется в виде незначительного дисбаланса изотопов калия, обнаруженного в образцах очень старых и залегающих на большой глубине пород. Команда ученых установила, что дисбаланс калия не мог быть вызван какими-либо предыдущими крупными ударами или геологическими процессами, происходящими на Земле в настоящее время.
|
|
|
|
|
|
|
Наиболее вероятным объяснением химического состава образцов является то, что они, должно быть, представляют собой остатки материала Протоземли, который каким-то образом остался неизменным, несмотря на то, что большая часть ранней планеты подверглась воздействию и преобразованию.
|
|
|
|
"Возможно, это первое прямое доказательство того, что мы сохранили материалы, относящиеся к Протоземле", - говорит Николь Ни, доцент кафедры наук о Земле и планетах Массачусетского технологического института имени Пола М. Кука. "Мы видим фрагмент очень древней Земли, существовавшей еще до гигантского столкновения. Это удивительно, потому что мы ожидали бы, что этот очень ранний признак будет постепенно стерт в ходе эволюции Земли".
|
|
|
|
Среди других авторов исследования - Да Ванг из Технологического университета Чэнду в Китае, Стивен Ширей и Ричард Карлсон из Научного института Карнеги в Вашингтоне, Брэдли Питерс из ETH Zurich в Швейцарии и Джеймс Дэй из Института океанографии Скриппса в Калифорнии.
|
|
Любопытная аномалия
|
|
|
|
В 2023 году Ни и ее коллеги проанализировали многие крупные метеориты, которые были собраны со всего мира и тщательно изучены. До столкновения с Землей эти метеориты, вероятно, формировались в разное время и в разных местах по всей Солнечной системе и, следовательно, отражают меняющиеся условия в Солнечной системе с течением времени. Когда исследователи сравнили химический состав этих образцов метеорита с земным, они выявили среди них "аномалию изотопного состава калия".
|
|
|
|
Изотопы - это немного отличающиеся версии элемента, которые содержат одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Элемент калий может существовать в одном из трех природных изотопов с массовыми числами (протоны плюс нейтроны) 39, 40 и 41 соответственно. Где бы ни был обнаружен калий на Земле, он присутствует в характерном сочетании изотопов, причем калий-39 и калий-41 являются преобладающими. Калий-40 присутствует, но в ничтожно малом процентном соотношении по сравнению с ним.
|
|
|
|
Ни и ее коллеги обнаружили, что в метеоритах, которые они изучали, соотношение изотопов калия отличалось от большинства материалов на Земле. Эта калиевая аномалия позволяет предположить, что любой материал, который демонстрирует подобную аномалию, вероятно, существовал до нынешнего состава Земли. Другими словами, любой дисбаланс калия был бы явным признаком наличия вещества на протоземле до того, как гигантское столкновение изменило химический состав планеты.
|
|
|
|
"В этой работе мы обнаружили, что разные метеориты имеют разные изотопные характеристики калия, и это означает, что калий можно использовать в качестве маркера строительных блоков Земли", - объясняет Не.
|
|
|
|
"Построены по-разному"
|
|
|
|
В текущем исследовании команда искала признаки аномалий содержания калия не в метеоритах, а в недрах Земли. Их образцы включают камни в виде порошка из Гренландии и Канады, где найдены одни из старейших сохранившихся горных пород. Они также проанализировали отложения лавы, собранные на Гавайях, где вулканы подняли на поверхность некоторые из самых ранних и глубоких материалов Земли из мантии (самого толстого слоя горных пород планеты, отделяющего кору от ядра).
|
|
|
|
"Если этот калиевый след сохранился, мы хотели бы поискать его в глубинах времени и в недрах Земли", - говорит Не.
|
|
|
|
Сначала команда растворила различные образцы порошка в кислоте, затем тщательно выделила весь калий из остальной части образца и с помощью специального масс-спектрометра измерила соотношение каждого из трех изотопов калия. Примечательно, что они выявили в образцах изотопную сигнатуру, которая отличалась от того, что было обнаружено в большинстве материалов на Земле.
|
|
|
|
В частности, они выявили дефицит изотопа калия-40. В большинстве материалов на Земле этот изотоп уже составляет незначительную долю по сравнению с двумя другими изотопами калия. Но исследователи смогли обнаружить, что их образцы содержали еще меньший процент калия-40. Обнаружить этот крошечный недостаток - все равно что обнаружить в ведре крупинку коричневого песка, а не полный совок желтого.
|
|
|
|
Команда обнаружила, что в образцах действительно наблюдался дефицит калия-40, что свидетельствует о том, что материалы "были изготовлены по-другому", говорит Ни, по сравнению с большинством того, что мы видим на Земле сегодня.
|
|
|
|
Но могут ли образцы быть редкими остатками протоземли? Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи предположили, что это может быть так. Они пришли к выводу, что если бы Протоземля изначально была сделана из материалов с таким дефицитом калия-40, то большая часть этого материала претерпела бы химические изменения – в результате гигантского удара и последующих, более мелких столкновений с метеоритами, — которые в конечном итоге привели к образованию материалов с большим содержанием калия—40, которые мы видим сегодня.
|
|
|
|
Команда использовала данные о составе каждого известного метеорита и провела моделирование того, как изменится дефицит калия-40 в образцах после столкновений с этими метеоритами и гигантского удара. Они также смоделировали геологические процессы, которые Земля испытывала с течением времени, такие как нагрев и перемешивание мантии. В итоге их моделирование позволило получить состав с несколько более высоким содержанием калия-40 по сравнению с образцами из Канады, Гренландии и Гавайских островов. Что еще более важно, смоделированные составы соответствовали составу большинства современных материалов.
|
|
|
|
Работа предполагает, что материалы с дефицитом калия-40, вероятно, являются остатками исходного материала с протоземли.
|
|
|
|
Любопытно, что характеристики образцов не совпадают ни с одним другим метеоритом в коллекциях геологов. В то время как метеориты в предыдущей работе команды показали аномалии содержания калия, это не совсем тот дефицит, который наблюдался в образцах с протоземли. Это означает, что какие бы метеориты и материалы изначально не образовывали Протоземлю, их еще предстоит обнаружить.
|
|
|
|
"Ученые пытались понять первоначальный химический состав Земли, комбинируя составы различных групп метеоритов", - говорит Ни. "Но наше исследование показывает, что текущий список метеоритов неполон, и нам предстоит еще многое узнать о происхождении нашей планеты".
|
|
|
|
Источник
|
