Мантия Земли состоит из твердой породы, которая, тем не менее, медленно циркулирует в течение миллионов лет. Некоторые геологи предполагают, что эта медленная циркуляция давным-давно стерла все геохимические следы ранней истории Земли. Но новое исследование, проведенное геологами из Университета Мэриленда, обнаружило новые доказательства, которые могут быть датированы более чем 4 годами.5 миллиардов лет.
Авторы исследовательской работы, опубликованной 7 апреля в журнале Science, изучили вулканические породы, недавно извергавшиеся из вулканов на Гавайях и Самоа. Горные породы содержат удивительные геохимические аномалии - «отпечатки пальцев» условий, существовавших вскоре после образования планеты.
Исследователи пока не уверены, как мантия Земли сохранила эти аномалии. Но результаты группы показывают, что некоторые из этих горных пород содержат материал, который сохранился на протяжении всей истории Земли, и что, в конце концов, недра планеты могут быть плохо перемешаны.
«Мы обнаружили геохимические признаки, которые, должно быть, были созданы почти 4,5 миллиарда лет назад», - сказала Андреа Мундл, исследователь геологии с докторской степенью в UMD и ведущий автор исследования. «Было особенно интересно найти эти аномалии в таких молодых породах. Мы пока не знаем, как эти подписи сохранились так долго, но у нас есть некоторые идеи."
Аномальные признаки обнаружены в соотношениях ключевых изотопов двух элементов: вольфрама и гелия.
В случае вольфрама, который имеет много изотопов, важным соотношением является вольфрам-182 к вольфраму-184. Более тяжелый изотоп, вольфрам-184, стабилен и существует с момента образования планеты. Вольфрам-182, с другой стороны, является результатом распада гафния-182, который очень нестабилен. Весь встречающийся в природе гафний-182 распался в течение первых 50 миллионов лет истории Земли, оставив на своем месте вольфрам-182.
Вольфрам и гафний вели себя совершенно по-разному в течение первых 50 миллионов лет существования планеты. Вольфрам имеет тенденцию ассоциироваться с металлами, поэтому большая его часть мигрировала в ядро Земли, в то время как гафний, который имеет тенденцию ассоциироваться с силикатными минералами, остался в мантии и коре Земли. Большинство горных пород на Земле имеют одинаковое соотношение вольфрама-182 и вольфрама-184, и это соотношение служит глобальным базовым уровнем. Геологи могут многому научиться у пород с необычно высоким или низким содержанием вольфрама-182, что указывает на то, сколько гафния-182 присутствовало в породе давным-давно.
«Почти все эти аномалии образовались в течение первых 50 миллионов лет после образования Солнечной системы», - сказал Мундл. «Уровни вольфрама-182 выше нормы наблюдаются в очень старых породах, которые, скорее всего, давно содержали много гафния. Но более низкие уровни вольфрама-182 встречаются редко и напоминают то, что мы могли бы ожидать увидеть глубоко под поверхностью, в или вблизи металлического ядра планеты."
Конечно, Мундл и ее коллеги наблюдали необычно низкое количество вольфрама-182 в некоторых породах с Гавайев и Самоа. Соотношение изотопов вольфрама само по себе интересно, но недостаточно, чтобы делать какие-либо убедительные выводы. Но исследователи также заметили, что те же породы содержат необычное соотношение изотопов гелия.
Гелий-3 крайне редко встречается на Земле и, как правило, обнаруживается в образцах горных пород, которые не подвергались плавлению или какой-либо иной переработке с момента образования планеты. Гелий-4, с другой стороны, может образовываться при радиоактивном распаде урана и тория. Более высокое, чем обычно, соотношение гелия-3 к гелию-4 обычно указывает на очень старые породы, которые не претерпели значительных изменений с момента образования планеты.
«Изменения в изотопном составе гелия давно известны, но никогда не коррелировались с другими геохимическими параметрами», - сказал Ричард Уокер, профессор и заведующий кафедрой геологии UMD и соавтор статьи. «Принято считать, что породы с высоким соотношением гелия-3 и гелия-4 содержат «примитивный» мантийный материал, но насколько примитивным было неизвестно. Наши данные по вольфраму показывают, что он действительно очень примитивный, а область источника, скорее всего, формируется первые 50 миллионов лет истории Солнечной системы."
Мундл, Уокер и их соавторы предлагают несколько различных сценариев, которые могли вызвать аномалии вольфрама и гелия, которые они наблюдали в вулканических породах на Гавайях и Самоа. Возможно, вулканы извлекают материал из ядра Земли, где соотношение, как ожидается, будет благоприятствовать низкому содержанию вольфрама-182 и высокому содержанию гелия-3.
С другой стороны, каменистая внешняя поверхность Земли могла образоваться участками, между которыми располагались обширные магматические океаны. Части этих океанов магмы, возможно, кристаллизовались и погрузились до границы между мантией и ядром, сохранив древние вольфрамовые и гелиевые подписи.
«Каждый из этих сценариев содержит некоторые несоответствия, которые мы пока не можем объяснить», - сказал Мундл. «Но это захватывающий результат, который наверняка породит множество новых интересных исследовательских вопросов».