Импактная гипотеза формирования Луны объясняет неоднородность земной мантии

Рис. 1. Так в представлении художника выглядело столкновение Земли с гипотетической планетой Тейя. Ученые предполагают, что остатки вещества Тейи сохранились в глубокой мантии Земли. Рисунок с сайта eurekalert.org

Считается, что Луна образовалась в результате столкновения Земли с гипотетической планетой Тейя, которое произошло примерно 4,5 миллиарда лет назад — через несколько десятков миллионов лет после формирования Солнечной системы. До сих пор никаких вещественных свидетельств существования Тейи найти не удавалось. Результаты недавнего исследования, проведенного международной группой ученых, позволяют предположить, что фрагменты Тейи сохранились в недрах Земли, где на границе нижней мантии и ядра расположены два крупных участка более плотного, по сравнению с окружающими породами, вещества. Предложенная авторами новая модель «гигантского столкновения» позволяет ответить на многие спорные вопросы, касающиеся формирования Луны, Земли и других планет Солнечной системы.

В конце 1970-х годов геофизики, используя новаторский для того времени метод глубинного зондирования Земли — сейсмической томографии (Seismic tomography), —обнаружили на границе ядра и мантии (Core–mantle boundary) две области, в которых скорости прохождения поперечных (или сдвиговых) сейсмических волн были аномально низкими.

Сейсмологи назвали их крупными областями с низкой скоростью сдвига (LLSVP — Large low-shear-velocity provinces). Одна расположена под Африкой, другая — под Тихим океаном. Они, подобно паре огромных наушников, с двух сторон охватывают ядро Земли. Размер их в поперечнике — несколько тысяч километров, а по вертикали — от 200 до 1000 км (рис. 2).

Рис. 2. Провинции с низкой скоростью сдвига (LLSVP) в мантии как они выглядят с Северного (a) и Южного (b) полюсов. В центре показано ядро Земли с проекцией на него контуров континентов. Рисунок из статьи S. Cottaar, V. Lekic, 2016. Morphology of seismically slow lower-mantle structures. См. также анимацию на сайте ru.wikipedia.org

В физическом смысле LLSVP представляют собой сгустки более разогретого и плотного, по сравнению с окружающей мантией, вещества. Иногда их еще называют суперплюмами, по аналогии с мантийными плюмами — горячими «каплями» мантийного вещества, всплывающими от границы ядра к поверхности, для которых тоже характерны пониженные скорости прохождения поперечных сейсмических волн (подробнее о суперплюмах см. новость Суперконтинентальные циклы синхронизированы с периодами активности суперплюмов, «Элементы», 10.01.2020).

Существует три главные гипотезы образования LLSVP. Первая предполагает, что гравитационная дифференциация, имевшая место на ранних этапах формирования Земли, не привела к полной гомогенизации материала мантии, и в самых глубинных ее частях сохранились сгустки более тяжелого вещества.

Вторая связывает накопление более плотного вещества в нижней части мантии с погружающимися в зонах субдукции океаническими литосферными плитами. Сторонники этой точки зрения считают, что на глубине происходит плавление и частичная дифференциация материала плиты. Легкая его часть поднимается к поверхности в зонах срединно-океанических хребтов, а более плотный тяжелый расплав опускается вниз к границе с ядром. Получается, что LLSVP — это своего рода «кладбище плит».

Согласно третьей гипотезе LLSVP сформировались в результате «гигантского столкновения», произошедшего между Землей и гипотетической планетой Тейя примерно 4,5 млрд лет назад. Эта гипотеза заодно объясняет и формирование спутника Земли: предполагается, что часть материала от столкновения была выброшена на орбиту, где из него сформировалась Луна.

В целом последняя гипотеза хорошо согласуется с ключевыми аспектами системы «Земля — Луна»: орбита Луны имеет ориентацию, аналогичную вращению Земли; у всей системы аномально высокий угловой момент — значительно выше, чем у других планет земной группы (гигантский удар мог создать дополнительный импульс); Луна имеет относительно малый размер железного ядра, то есть она в целом менее плотная, чем Земля, и обеднена летучими компонентами; образцы лунного грунта показывают, что ее поверхность когда-то была расплавленной. Исследователи предполагают, что мантия Тейи изначально была обогащенной железом, по сравнению с земной. Обогащены железом и породы Луны.

Но есть и несоответствия. Главное из них — полное отсутствие на Луне следов вещества самой Тейи. Химический и изотопный состав лунных и земных пород практически идентичен. При этом известно, что у каждого тела Солнечной системы имеется своя характерная изотопно-кислородная «подпись». То есть, если бы существовала отдельная протопланета Тейя, она имела бы другой, по сравнению с Землей, изотопный состав кислорода, и ее «подпись» запечатлелась бы в выброшенном смешанном материале. К тому же, если бы часть протолунного материала поступила от ударника, на Луне было бы повышено содержание сидерофильных элементов, которых в составе Тейи должно было быть много, а по факту в лунных породах наблюдается их дефицит.

Несмотря на то, что гипотеза «гигантского столкновения» появилась еще в 1970-х годах, до последнего времени не было создано ни одной комплексной модели этого события, которая бы непротиворечиво увязывала все имеющиеся геофизические, термодинамические и изотопные данные. Первую такую модель представили на 52-й Виртуальной конференции по изучению Луны и планет LPCS 52 в марте 2021 года ученые из Аризонского государственного университета во главе с аспирантом-геологом Цянь Юанем (Qian Yuan). Недавно в доработанном виде она была опубликована уже доктором Юанем, теперь уже сотрудником Калифорнийского технологического института, с коллегами в журнале Nature.

Исследователи использовали метод вычислительной гидродинамики, разработанный одним из авторов статьи, профессором Дэн Хунпином из Шанхайской астрономической обсерватории Китайской академии наук. Этот метод прекрасно зарекомендовал себя при моделировании турбулентных процессов в жидких средах и их влияния на смешивание материалов.

По данным моделирования, «гигантское столкновение» привело не к гомогенизации мантии ранней Земли, а наоборот, к ее расслоению. Верхняя мантия после удара превратилась в океан магмы, состоящий из перемешанного материала Земли и Тейи, в то время как нижняя ее часть оставалась в значительной степени твердой и сохранила материальный состав протоземли. В таком случае становится понятным, почему сейчас в твердой нижней мантии больше кремния, чем в верхней. При простой гравитационной дифференциации, без дополнительного внешнего воздействия, это было бы невозможным.

Так как размеры и плотность Тейи неизвестны, в процессе моделирования авторы рассматривали самые разные варианты. Результаты показали, что во всех случаях, когда вещество мантии ударного тела на 1,5–3,5% плотнее земной мантии, его обломки должны погружаться к верхней границе ядра Земли и оставаться там, не смешиваясь, очень долго. Юань с коллегами уверены, что материал LLSVP, который, по оценкам геофизиков, на 2–3,5% плотнее окружающей мантии, сложен остатками Тейи (рис. 3).

Рис. 3. Этапы образования Луны и зон LLSVP в мантии Земли при «гигантском столкновении». Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Модели мантийной конвекции подтверждают, что погружающиеся в мантию более плотные сгустки вещества размером в десятки километров через 4,5 млрд лет соберутся вокруг ядра в две «термохимические кучи», для которых характерны пониженные скорости прохождения сдвиговых сейсмических волн (рис. 4).

Рис. 4. Конвекционная модель формирования LLSVP-подобных образований при погружении в мантию сгустков плотного вещества: а — начальное состояние; b — температурное поле через 4,5 млрд лет; с — химический состав вещества, где 0 — исходное мантийное вещество протоземли, а 1 — чистое вещество мантии Тейи; d — аномалии прохождения сейсмических сдвиговых волн. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Еще одно доказательство того, что LLSVP и отходящие от них «столбы» мантийных плюмов, это реликты инопланетного вещества, — геохимические маркеры в лавах вулканов горячих точек, расположенных над этими «столбами». Такие ветви разогретого материала, отходящие от Африканской LLSVP, фиксируются под Исландией, островом Вознесения, архипелагом Кергелен, Афарской котловиной, Канарскими и Азорскими островами. Ответвлениями Тихоокеанской LLSVP являются мантийные плюмы под островом Пасхи, Галапагосскими и Маркизскими островами, Гавайями и Французской Полинезией.

Все эти вулканические острова сложены базальтами глубинного происхождения (тип OIB — ocean island basalt), которые по своим геохимическим параметрам сильно отличаются от базальтов срединно-океанических хребтов (тип MORB — mid-ocean-ridge basalts) и островных дуг (тип IAB — island arc basalt). Для них характерны повышенные значения MgO, никеля, хрома, а также отношений Fe/Mn. Но главное отличие — изотопные отношения водорода (H/D) и инертных газов (³He/⁴He, ²⁰Ne/²²Ne и ¹²⁹Xe/¹³⁰Xe). Эти геохимические маркеры указывают на то, что магма происходит из менее дегазированных и негомогенизированных, несмотря на миллиарды лет конвективного перемешивания, участков мантии.

Наиболее показательны в этом плане изотопные отношения гелия ³He/⁴He и ксенона ¹²⁹Xe/¹³⁰Xe, которые в современных базальтах типа OIB выше, чем в любых других земных породах. Дело в том, что ³He не образуется в заметных количествах в недрах Земли, а ⁴He, наоборот, постоянно образуется в результате альфа-распада урана, тория и самария. Поэтому отношение ³He/⁴He в породах Земли с возрастом неуклонно снижается, а в ранней Солнечной системе оно было относительно высоким. Весь ¹²⁹Xe вообще появился в первые 100 млн лет истории Земли в результате распада ¹²⁹I. Таким образом, высокие значения изотопных отношений гелия и ксенона в лавах плюмового происхождения можно считать надежным геохимическим признаком существования в глубокой мантии хорошо сохранившихся резервуаров древнего вещества.

Открытием стал и вывод о возможном размере ударного тела. Все предыдущие геодинамические модели основывались на том, что Тейя была небольших размеров (от 0,1 до 0,45 массы Земли, то есть размером с Марс или чуть больше) и при ударе полностью расплавилась. В этом случае Луна должна была унаследовать в первую очередь материал ударника, в то время как по факту ее вещество практически идентично земному.

Новые результаты показывают, что Тейя была намного крупнее — сопоставимой по размеру с протоземлей. При столкновении ее вещество по большей части смешалось с земной мантией, и только около двух процентов его опустилось в недра и сохранилось в зонах LLSVP. Но по массе это примерно в шесть раз больше Луны.

Наряду с двумя крупными скоплениями, в нижней мантии присутствуют и более мелкие (несколько сотен километров в поперечнике) очаги сверхплотного материала. В основном они расположены вблизи краев LLSVP. Возможно, это изолированные фрагменты мантии Тейи или «затонувшие» остатки богатых железом ядер других небольших протопланет, столкнувшихся с ранней Землей. Ученые считают, что такие же зоны могут быть и в мантии других планет земной группы, так как все они формировались по единому сценарию — на конечных стадиях аккреции вероятность столкновения с другими протопланетными телами была очень велика.

Авторы отмечают, что подтвердить их гипотезу могли бы пробы мантийных пород Луны. К сожалению, ни один из образцов, собранных в рамках программы «Аполлон», не содержит неизмененную мантию. Поэтому исследователи возлагают большие надежды на будущие лунные миссии, которые планируют Китай и НАСА. Проекты обеих миссий предусматривают отбор образцов в районе южного полюса Луны, где расположен крупнейший ударный кратер. Предполагается, что в нем могут выходить на поверхность наиболее глубинные породы лунных недр.

Источник: Qian Yuan, Mingming Li, Steven J. Desch, Byeongkwan Ko, Hongping Deng, Edward J. Garnero, Travis S. J. Gabriel, Jacob A. Kegerreis, Yoshinori Miyazaki, Vincent Eke & Paul D. Asimow. Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies // Nature. 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06589-1.

Владислав Стрекопытов