Новые доказательства столкновения Земли с другой планетой в глубокой древности

Глубоко под поверхностью Земли залегают две колоссальные структуры загадочного происхождения. Теперь сейсмологи обнаружили новые ключи к разгадке их состава, что может перевернуть наше понимание всей геологии планеты.

В 1980-х годах сейсмические данные выявили два гигантских, размером с континент, скопления вещества в мантии Земли, на глубине тысяч километров под Тихим океаном и африканским континентом.

Новое исследование, проведенное учеными из Нидерландов и США, детальнее изучило эти структуры. Помимо измерения изменений скорости сейсмических волн, на чем фокусировались прежние исследования, команда изучила, сколько энергии эти волны теряют при прохождении через “блобы” (так неформально называют эти образования).

К их удивлению, выяснилось, что сейсмические волны теряют очень мало энергии при прохождении через эти массы. Это имеет несколько важных следствий: во-первых, минералы в них состоят из более крупных “зерен”, чем ожидалось. Это указывает на то, что структуры старые и стабильные, что, в свою очередь, предполагает: мантия перемешивается не так сильно, как утверждают учебники геологии.

Тысячи километров породы затрудняют прямое наблюдение недр Земли, но ученые могут изучать их с помощью звука. Мощные землетрясения заставляют планету резонировать как гигантский колокол, посылая сейсмические волны через всю планету. Детекторы по всему миру улавливают эти сигналы и выявляют скрытые структуры.

Например, сейсмические волны проходят через разные материалы с разной скоростью, поэтому измерение их ускорения и замедления показывает ученым, из чего состоят различные области и слои.

Именно так эти большие странные “блобы” были впервые обнаружены десятилетия назад. В этих областях наблюдалось резкое замедление сейсмических волн, за что они получили неуклюжее научное название “Крупные провинции низких сейсмических скоростей” (LLSVP). Это указывает на то, что данные области намного горячее окружающей мантии.

“Эти два больших острова окружены кладбищем тектонических плит, которые были перенесены туда процессом ‘субдукции’, когда одна тектоническая плита погружается под другую и опускается с поверхности Земли на глубину почти 3000 километров”, – объясняет ведущий автор Арвен Деусс, сейсмолог из Утрехтского университета в Нидерландах.

Но для полной картины одних только скоростей сейсмических волн недостаточно. LLSVP могли быть как кратковременными температурными аномалиями, так и более долговечными массами с иным составом.

Чтобы это выяснить, команда использовала данные о колебаниях всей Земли от 104 прошлых землетрясений для создания детальной 3D-модели верхней и нижней мантии. В частности, они включили данные о затухании волн – насколько много энергии они теряют при прохождении через разные области.

К их удивлению, оказалось, что LLSVP имеют очень слабое затухание по сравнению с плитами на близлежащем “кладбище”. Это говорит о том, что LLSVP – не просто температурные аномалии, но и композиционные. Ключом может быть размер минеральных зерен, составляющих материал.

“Погружающиеся тектонические плиты, оказывающиеся на кладбище плит, состоят из мелких зерен, потому что они перекристаллизовываются во время своего путешествия глубоко в недра Земли”, – говорит Деусс. “Малый размер зерен означает большее количество зерен и, следовательно, большее количество границ между ними. Из-за большого количества границ между зернами на кладбище плит мы наблюдаем большее затухание, поскольку волны теряют энергию на каждой пересекаемой границе. То, что LLSVP показывают очень слабое затухание, означает, что они должны состоять из гораздо более крупных зерен.”

Одна из ведущих теорий о происхождении LLSVP утверждает, что они тоже являются кусками старых тектонических плит, учитывая их близость к так называемому кладбищу. Но различия в размере зерен и температуре говорят об обратном.

Это несоответствие может подкрепить другую теорию: что LLSVP являются остатками древней протопланеты, которая столкнулась с ранней Землей около 4,5 миллиардов лет назад, породив Луну. Но что бы это ни было, их жесткость предполагает, что мантия не так хорошо перемешана, как считалось ранее.

“В любом случае, LLSVP каким-то образом выдерживают конвекцию мантии”, – говорит сейсмолог из Утрехта и первый автор исследования Сухания Талавера-Соза.

Исследование опубликовано в журнале Nature.