Patele ciudate din mantaua adâncă sunt rămășițele unei planete antice

Un studiu al Institutului de Tehnologie din California sugerează că două structuri masive, bogate în fier, adânci în mantaua Pământului sunt rămășițele Theia, o planetă străveche care s-a ciocnit cu Pământul, creând și Luna. Această descoperire răspunde întrebărilor vechi despre originea Lunii și soarta Theia.

În anii 1980, geofizicienii au făcut o descoperire uluitoare: două bucăți de materiale neobișnuite de mărimea unui continent au fost găsite adânc în centrul Pământului, una sub continentul african și una sub Oceanul Pacific. Fiecare punct are aproximativ de două ori dimensiunea Lunii și este probabil compus din diferite proporții de elemente în comparație cu mantaua din jur.

Active județene mari, cu viteză redusă

De unde provin aceste bloburi ciudate – cunoscute oficial ca provincii mari cu viteză redusă (LLVP) -? Un nou studiu al cercetătorilor de la Institutul de Tehnologie din California sugerează că acestea sunt rămășițele unei planete antice care s-a ciocnit violent cu Pământul cu miliarde de ani în urmă, în același impact uriaș care a dat naștere Lunii noastre.

Studiul a fost publicat în jurnal natură Pe 1 noiembrie, propune și un răspuns la un alt mister din știința planetară. Cercetătorii au presupus de mult că Luna a fost creată în urma unei coliziuni uriașe între Pământ și o planetă mai mică numită Theia, dar nicio urmă a Theia nu a fost găsită în centura de asteroizi sau în meteoriți. Acest nou studiu sugerează că cea mai mare parte din Theia a fost absorbită de Pământul tânăr, formând LLVP, în timp ce resturile rămase de la ciocnire au fost absorbite în Lună.

Vizualizarea Pământului cu „bloburi” mari de materie densă în apropierea miezului Pământului. Aceste puncte au fost descoperite în anii 1980. Acum, cercetătorii sugerează că este vorba de fapt de rămășițele unei planete antice, Theia, care s-a ciocnit cu Pământul pentru a forma Luna. Credit: Edward Garnero

Metodologia cercetării și rezultatele

Cercetarea a fost condusă de Qian Yuan, un asociat de cercetare postdoctoral Oakey Earle în laboratoarele lui Paul Asimo (MS ’93, PhD ’97), profesorul Eleanor și John R. MacMillan de geologie și geochimie; și Michael Jorness, John E. și Hazel S. Smits profesor de geofizică și Clarence R. Allen Leadership Chair, director al Laboratorului Seismic Caltech și director al Academiei Schmidt de Inginerie Software de la Caltech.

Oamenii de știință au descoperit pentru prima dată LLVP-urile măsurând undele seismice care călătoresc prin Pământ. Undele seismice călătoresc cu viteze diferite prin diferite materiale și, în anii 1980, au apărut primele indicii despre variații tridimensionale la scară mare, adânc în structura Pământului. În mantaua mai profundă, modelul undelor seismice este dominat de semnăturile a două structuri mari din apropierea miezului Pământului despre care cercetătorii cred că au un nivel neobișnuit de ridicat de fier. Acest conținut ridicat de fier înseamnă că zonele sunt mai dense decât împrejurimile lor, determinând încetinirea undelor seismice care trec prin ele, ceea ce duce la denumirea de „provincii mari cu viteză redusă”.

Yuan, geofizician de pregătire, a participat la un simpozion despre formarea planetelor susținut de Mikhail Zolotov, profesor la Universitatea de Stat din Arizona, în 2019. Zolotov a prezentat ipoteza impactului gigant, în timp ce Qian a subliniat că luna este relativ bogată în fier. Zolotov a adăugat că nu a fost găsită nicio urmă a vehiculului, care cu siguranță s-a ciocnit cu solul.

„Imediat după ce Michael a spus că nimeni nu știe unde este obiectul de impact acum, am avut un „moment eureka” și mi-am dat seama că obiectul de impact bogat în fier ar fi putut fi transformat în bulburi ale mantalei”, spune Yuan.

Simulare detaliată a impactului Theia cu Pământul. Deși impactul a fost violent, nu a fost suficient de puternic pentru a topi mantaua inferioară a Pământului, ceea ce înseamnă că rămășițele din Theia ar fi putut fi conservate, mai degrabă decât amestecate omogen cu materialul Pământului. Credit: Hong Bing Ding

Yuan a lucrat cu colaboratori interdisciplinari pentru a modela diferite scenarii pentru compoziția chimică a Theia și impactul acesteia asupra Pământului. Simulările au confirmat că fizica coliziunii ar putea duce la formarea atât a LLVP, cât și a Lunii. Este posibil ca o parte din mantaua Theia să fi fost încorporată în mantaua Pământului, unde în cele din urmă s-a reunit și s-a cristalizat împreună pentru a forma cele două bloburi distincte care pot fi detectate astăzi la limita mantalei-nucleu de astăzi; Alte resturi de la coliziune s-au amestecat pentru a forma Luna.

Implicații și cercetări viitoare

Având în vedere acest impact violent, de ce s-a adunat materialul Theia în cele două locuri distincte în loc să se amestece cu restul planetei în formare? Simulările cercetătorilor au arătat că o mare parte din energia de la impactul Theia a rămas în jumătatea superioară a mantalei, lăsând mantaua inferioară a Pământului mai rece decât estimaseră modelele anterioare de impact cu rezoluție scăzută. Deoarece mantaua inferioară nu a fost topit complet în urma impactului, bucățile de material bogat în fier de la Theia au rămas în mare parte intacte pe măsură ce s-au cernut la baza mantalei, ca niște bulgări colorate de ceară de parafină într-o lampă de lavă stinsă. Dacă mantaua inferioară ar fi fost mai fierbinte (adică ar fi primit mai multă energie de la ciocnire), s-ar fi amestecat mai bine cu materiale bogate în fier, precum culorile dintr-un vas de vopsea.

Următorii pași sunt studierea modului în care prezența timpurie a materialului eterogen Theia în adâncul Pământului a afectat procesele interne ale planetei noastre, cum ar fi tectonica plăcilor.

„Consecința logică a ideii că LLVP sunt rămășițe ale Theia este că sunt foarte vechi”, spune Asimov. „Deci are sens să studiem apoi ce consecințe au avut asupra evoluției timpurii a Pământului, cum ar fi debutul subducției înainte ca condițiile să devină potrivite pentru tectonica modernă a plăcilor, formarea primelor continente și originea celor mai vechi plăci tectonice. Supraviețuire a mineralelor Pământului”.

O nouă cercetare răspunde la două mistere de lungă durată ale științei planetare: Care sunt „bloburi” uriașe și misterioase de material din apropierea nucleului Pământului și ce s-a întâmplat cu planeta care s-a ciocnit cu Pământul pentru a crea Luna? Un nou studiu de la Institutul de Tehnologie din California sugerează că rămășițele acestei planete antice încă există în interiorul Pământului, explicând originile „bloburilor” din apropierea graniței nucleu-manta.

Referință: „Coliziunea de formare a lunii ca sursă a anomaliei mantalei bazale a Pământului” de Qian Yuan, Mingming Li și Stephen J. Desch, Byung-Kwan Koo, Hongpeng Deng și Edward J. Garnero, Travis S.J. Gabriel și Jacob A. , Vincent Ecke și Paul D. Asimov, 32 octombrie 2023, natură.
doi: 10.1038/s41586-023-06589-1

Qian Yuan este primul autor. Pe lângă Yuan și Asimo, un coautor suplimentar la Caltech este Yoshinori Miyazaki, un cercetător postdoctoral Stanback implicat în evoluția planetară comparativă. Co-autori suplimentari sunt Mingming Li, Stephen Desch și Edward Garnero (PhD ’94) de la Arizona State University (ASU); Byungkwan Ko de la Universitatea de Stat din Arizona și Universitatea de Stat din Michigan; Hongping Ding de la Academia Chineză de Științe; Travis Gabriel de la USGS; Jacob Kegeris NASACentrul de Cercetare Ames; și Vincent Ecke de la Universitatea Durham. Finanțarea a fost oferită de Fundația Națională pentru Știință, Bursa Postdoctorală Aoki Earle la Caltech, USGS, NASA și Centrul Caltech pentru Evoluție Planetară Comparată.