Изотопный состав неона из мантии указывает на то, что молодая Земля росла быстро

Рис. 1. Вверху: снимок молекулярного облака в созвездии Тельца (Taurus Molecular Cloud), сделанный телескопом «Хаббл». На врезке — изображение протопланетного диска вокруг находящейся в этом облаке молодой звезды HL Тельца (ее возраст — всего около 100 000 лет), полученное в миллиметровом диапазоне при помощи телескопа ALMA. На этапе своего формирования наша Солнечная система издалека вполне могла выглядеть примерно так. В хорошем качестве это изображение доступно на сайте eso.org. Внизу — сравнение размеров протопланетного диска вокруг звезды HL Тельца и Солнечной системы (справа, самая внешняя линия показывает орбиту Нептуна): видно, что диск вокруг HL Тельца простирается в 2–3 раза дальше. Изображения с сайта almaobservatory.org

В общих чертах ученые представляют себе, как происходило формирование Солнца и планет, в том числе и Земли. Но пока в этих вопросах остается еще очень много неясного. В частности, непонятно, как быстро происходил этот процесс и какие вещества попадали в растущие планеты сразу, а какие привносились позже метеоритами и кометами. Исследование изотопов неона из земной мантии (этот элемент, благодаря своей инертной химической природе, сохранился в мантии Земли в первичном, не затронутом последующей эволюцией планеты виде) указывает на то, что неон, который сейчас находится глубоко в мантии, попал туда из протопланетного облака. Этот результат позволяет уточнить модели формирования Солнечной системы: из него следует, что Земля должна была расти довольно быстро, вбирая в себя вместе с неоном и другие летучие компоненты протопланетного облака — например, воду и азот.

Согласно доминирующей гипотезе, образование Земли, как и других планет земной группы, началось с аккреции (слипания и дальнейшего роста) твердых частиц газопылевого протопланетного облака (протопланетного диска), вращавшегося вокруг недавно сформированного Солнца. Постепенно некоторые частицы пыли, слипаясь друг с другом, дорастали до «снежков», которые тоже слипались друг с другом и продолжали обрастать пылью. Так появлялись планетезимали — небольшие тела (размером несколько километров), которые впоследствии служили «строительными блоками» для формирования полноценных планет. Если по поводу общего хода этого процесса у ученых в целом нет разногласий, то относительно его деталей существуют разные мнения. В частности, разногласия возникают в вопросах о скорости, с которой происходило образование Земли, о первичном источнике летучих компонентов в ее составе (захватывались ли в состав планет земной группы газы протопланетного облака) и о величине вклада в состав Земли метеоритного материала.

Геохимики Кёртис Уильямс (Curtis D. Williams) и Суджой Мукхопадхьяй (Sujoy Mukhopadhyay) из Калифорнийского университета в Дэйвисе предположили, что с этим может помочь разобраться изучение изотопного состава неона из мантийных источников. Они посчитали, что неон мог попасть в состав Земли вместе с другими летучими компонентами на этапе формирования нашей планеты. При этом из-за инертности у него должно было сохраниться первичное соотношение изотопов (в отличие от других летучих компонентов, многократно участвовавших в течение эволюционной истории Земли в различных геологических и биохимических процессах). То есть неон даже спустя 4,5 миллиарда лет должен сохранить «память» в виде изотопной сигнатуры о том, откуда он «пришел» на Землю. Выяснив природу неона в составе земной мантии, можно будет с большой долей вероятности говорить и о первичном источнике других летучих компонентов, таких как вода, углекислый газ, азот и т. д.

Геохимики посчитали, что, если процесс планетообразования был относительно быстрым и Земля сформировалась как планета за 2–5 млн лет, она должна была захватить газы (включая неон), присутствовавшие во внутренней части протопланетного облака на раннем этапе его существования. Если же планета формировалась дольше, то большая часть неона (как и других газов) вероятнее всего была выдута солнечным ветром из зоны формирования каменных планет. Однако неон мог синтезироваться в ядерных реакциях, происходивших при облучении пыли солнечным излучением, и это также должно быть зафиксировано в изотопной сигнатуре неона. Своя изотопная сигнатура характерна и для газов, доставленных на Землю в составе углистых хондритов, богатых водой, углеродом и азотом.

Неон имеет три изотопа: ²⁰Ne, ²¹Ne и ²²Ne. Все три являются стабильными и нерадиоактивными, но ²¹Ne также образуется в результате радиоактивного распада урана и может медленно накапливаться с течением времени. Поэтому в качестве индикатора происхождения первичного неона авторы выбрали соотношение ²⁰Ne/²²Ne. Это соотношение существенно различается для трех потенциальных источников летучих веществ Земли: газа протопланетного облака (13,36±0,18), материала, облученного солнечным ветром (12,52–12,75), и углистых хондритов (9,03±2,46). Реперные значения для всех трех источников неона были получены в предыдущих исследованиях на основе данных миссии Genesis (космического аппарата для сбора образцов солнечного ветра), анализа проб лунных почв и метеоритов.

В качестве источников мантийного материала для исследований были выбраны океанические базальты зон плюмового вулканизма. Считается, что магма, которая выносится на поверхность мантийными плюмами, имеет, по сравнению с базальтами срединно-океанических хребтов (тип MORB — mid-ocean-ridge basalts), более глубинный источник, так как плюмы зарождаются на границе ядра и нижней мантии, где с большей вероятностью сохраняется первичное вещество, из которого формировалась наша планета (см. новость В современных островных базальтах нашли следы первичного вещества, из которого образовалась Земля, «Элементы», 30.06.2017). Базальты типа MORB, являющиеся производными верхней мантии, могли захватывать летучие компоненты из атмосферы (где соотношение ²⁰Ne/²²Ne составляет ~9,8), а также обогащаться поверхностным материалом, поступающим в верхнюю мантию в процессе субдукции (для справки, соотношение ²⁰Ne/²²Ne в базальтах типа MORB не превышает 12,49±0,08).

Для исследования авторы использовали образцы подушечных базальтовых лав из трех зон плюмового вулканизма: Галапагосских островов, Исландии и Самоа. Газы, находящиеся в газовых включениях — крошечных пузырьках внутри базальта, — в процессе исследования вскрывались с помощью пресса в герметичной камере и направлялись в высокочувствительный масс-спектрометр. Для сравнения анализировались также газы из газовых включений в базальтах срединно-океанических хребтов (тип MORB). Всего было проанализировано 12 образцов плюмовых базальтов и 21 образец базальтов типа MORB. Результаты приведены на рис. 2.

Рис. 2. Гистограмма распределения значений ²⁰Ne/²²Ne в базальтах типа MORB (сплошная линия) и в плюмовых базальтах (пунктирная линия). Рисунок из осуждаемой статьи в Nature

Видно, что изотопные значения для плюмовых базальтов существенно выше, чем для базальтов типа MORB, и образуют самостоятельную группу в интервале значений ²⁰Ne/²²Ne от 12,5 до 13,5. Максимальное зафиксированное значение — 13,03±0,04. Эти соотношения явно выше, чем реперные значения для материала, облученного солнечным ветром, и углистых хондритов. А максимальное расчетное значение ²⁰Ne/²²Ne в первичном мантийном плюме, полученное методом экстраполяции (13,23±0,22), вообще очень близко к ожидаемому значению для газа протопланетного облака. Отсюда следует два очень важных вывода.

Первый вывод фундаментально-теоретический: получено свидетельство того, что Земля как планета сформировалась относительно быстро из протопланетного облака пыли и газа, вобрав в себя из этого облака в том числе воду, углерод, азот и другие летучие компоненты, некоторые из которых, наиболее инертные, до сих пор удерживаются в мантии Земли. Об этом свидетельствует присутствие «первородного» неона в глубокой мантии. Расчеты показывают, что для поглощения этих важных для жизни соединений планета должна была достигнуть определенного размера — размера Марса или немного большего — всего за 2–3 миллиона лет, прежде чем газовое протопланетное облако рассеялось.

Второй вывод чисто практический: доказано, что базальты срединно-океанических хребтов нельзя рассматривать в качестве источника информации о составе первичного вещества Земли, так как они являются производными верхней мантии, в формировании которой участвовали сначала компоненты хондритов (активно бомбардировавших Землю в период основной фазы аккреции), а затем и поверхностный материал, поступавший в мантию вместе с субдуцирующими плитами.

Авторы считают, что, так как все планеты земной группы, скорее всего, образовались по единому сценарию, сделанные ими выводы можно распространять и на другие планеты этой группы: все они формировались достаточно быстро, и их эмбрионы успели увеличиться до значительных размеров еще до того, как протопланетное облако подверглось диссипации (рассеянию содержащихся в нем газов в космическое пространство).

Так как наличие воды и летучих компонентов является одним из условий наличия жизни на планетах, авторы говорят о том, что и экзопланеты земного типа должны были образовываться по сходному сценарию.

Источник: Curtis D. Williams & Sujoy Mukhopadhyay. Capture of nebular gases during Earth’s accretion is preserved in deep-mantle neon // Nature. 2018. DOI: 10.1038/s41586-018-0771-1.

Владислав Стрекопытов