Furcsa foltok a mély köpenyben egy ősi bolygó maradványai

A California Institute of Technology tanulmánya szerint két hatalmas, vasban gazdag szerkezet a Föld köpenyében mélyen a Theia, egy ősi bolygó maradványa, amely a Földdel ütközött, és létrehozta a Holdat is. Ez a felfedezés választ ad a Hold eredetével és Theia sorsával kapcsolatos régóta fennálló kérdésekre.

Az 1980-as években a geofizikusok megdöbbentő felfedezést tettek: két kontinensnyi szokatlan anyagfoltot találtak mélyen a Föld középpontjában, egyet az afrikai kontinens alatt, egyet pedig a Csendes-óceán alatt. Mindegyik pont körülbelül kétszer akkora, mint a Hold, és valószínűleg a környező köpenyhez képest eltérő arányú elemekből áll.

Nagy, kis sebességű megyei vagyon

Honnan származnak ezek a furcsa foltok – hivatalos nevén Large Low-Velocity Provinces (LLVP-k) –? A Kaliforniai Műszaki Intézet kutatóinak új tanulmánya szerint ezek egy ősi bolygó maradványai, amely évmilliárdokkal ezelőtt hevesen ütközött a Földdel, ugyanabban az óriási becsapódásban, amely a Hold megjelenését eredményezte.

A tanulmány a folyóiratban jelent meg természet November 1-jén egy másik bolygótudományi rejtélyre is választ javasol. A kutatók régóta azt feltételezték, hogy a Hold a Föld és egy kisebb, Theia nevű bolygó óriási ütközését követően jött létre, de a Theia nyomát sem az aszteroidaövben, sem a meteoritokban nem találták. Ez az új tanulmány azt sugallja, hogy a Theia nagy része elnyelte a fiatal Földet, LLVP-ket képezve, míg az ütközésből visszamaradt törmelék a Holdba került.

A Föld vizualizálása sűrű anyag nagy „foltjaival” a Föld magja közelében. Ezeket a pontokat az 1980-as években fedezték fel. A kutatók azt sugallják, hogy valójában egy ősi bolygó, a Theia maradványairól van szó, amely ütközött a Földdel és létrehozta a Holdat. Köszönetnyilvánítás: Edward Garnero

Kutatási módszertan és eredmények

A kutatást Qian Yuan, az Oakey Earle posztdoktori kutató munkatársa irányította Paul Asimo (MS ’93, PhD ’97), Eleanor és John R. MacMillan geológia és geokémia professzor laboratóriumában; és Michael Jorness, John E. és Hazel S. Smits geofizika professzor és Clarence R. Allen vezetői tanszék, a Caltech Szeizmikus Laboratóriumának igazgatója és a Caltech Schmidt Szoftvermérnöki Akadémia igazgatója.

A tudósok először fedezték fel az LLVP-ket a Földön áthaladó szeizmikus hullámok mérésével. A szeizmikus hullámok különböző sebességgel haladnak át a különböző anyagokon, és az 1980-as években megjelentek az első utalások a nagyszabású háromdimenziós eltérésekre a Föld szerkezetének mélyén. A mélyebb köpenyben a szeizmikus hullámok mintázatát két, a Föld magjához közeli nagy szerkezet jelei uralják, amelyekben a kutatók szerint szokatlanul magas a vastartalma. Ez a magas vastartalom azt jelenti, hogy a területek sűrűbbek a környezetüknél, ami miatt a rajtuk áthaladó szeizmikus hullámok lelassulnak, ami a „nagy, alacsony sebességű tartományok” elnevezéshez vezet.

Yuan, geofizikus végzettsége, 2019-ben Mihail Zolotov, az Arizonai Állami Egyetem professzora által tartott bolygóképződési szimpóziumon vett részt. Zolotov bemutatta az óriási becsapódási hipotézist, míg Qian rámutatott, hogy a Hold viszonylag gazdag vasban. Zolotov hozzátette, hogy a járműnek nyomát nem találták, amely minden bizonnyal a talajnak ütközött.

„Rögtön azután, hogy Michael azt mondta, hogy senki sem tudja, hol van most az ütköző tárgy, volt egy „eureka pillanatom”, és rájöttem, hogy a vasban gazdag becsapódási tárgy a köpenyfoltokká alakulhatott át” – mondja Yuan.

Theia Földdel való ütközésének részletes szimulációja. Bár a becsapódás heves volt, nem volt elég erős ahhoz, hogy megolvasztja a Föld alsó köpenyét, ami azt jelenti, hogy a Theia maradványait meg lehetett volna őrizni, ahelyett, hogy homogén módon keveredtek volna a Föld anyagával. hitel: Hong Bing Ding

Yuan interdiszciplináris munkatársakkal dolgozott különböző forgatókönyvek modellezésén a Theia kémiai összetételére és a Földre gyakorolt ​​hatására. A szimulációk megerősítették, hogy az ütközés fizikája az LLVP-k és a Hold kialakulásához is vezethet. Lehetséges, hogy Theia köpenyének egy része beépült a Föld köpenyébe, ahol végül egyesült és kikristályosodott, így létrejött a két különálló folt, amelyek ma észlelhetők a köpenymag határán; Az ütközés egyéb törmelékei összekeveredve létrehozták a Holdat.

Következmények és jövőbeli kutatások

Tekintettel erre az erőszakos hatásra, miért gyűlt össze Theia anyaga a két különálló helyen, ahelyett, hogy keveredne a formálódó bolygó többi részével? A kutatók szimulációi azt mutatták, hogy a Theia becsapódásából származó energia nagy része a köpeny felső felében maradt, így a Föld alsó köpenye hűvösebb volt, mint ahogy azt a korábbi, kis felbontású becsapódási modellek becsülték. Mivel az alsó köpeny nem olvadt meg teljesen az ütközés következtében, a Theia-ból származó vasban gazdag anyagfoltok nagyrészt érintetlenek maradtak, miközben a köpeny tövéhez szitálták, mint a paraffinviasz színes csomói egy kialudt lávalámpában. Ha az alsó köpeny melegebb lett volna (azaz több energiát kapott volna az ütközésből), jobban keveredett volna vasban gazdag anyagokkal, például színekkel egy edényben.

A következő lépések annak tanulmányozása, hogy a Theia heterogén anyag korai jelenléte a Föld mélyén hogyan befolyásolta bolygónk belső folyamatait, például a lemeztektonikát.

„A logikus következménye annak, hogy az LLVP-k Theia maradványai, hogy nagyon ősiek” – mondja Asimov. „Így van értelme megvizsgálni, milyen következményekkel jártak ezek a Föld korai evolúciójára, például a szubdukció kezdete, mielőtt a feltételek alkalmassá váltak volna a modern lemeztektonikára, az első kontinensek kialakulása és a legrégebbi tektonikus lemezek eredete. Túlélés a Föld ásványaiból.”

Az új kutatás a bolygótudomány két régóta fennálló rejtélyére ad választ: Mik azok az óriási, titokzatos anyagfoltok a Föld magja közelében, és mi történt azzal a bolygóval, amely a Földdel ütközött a Hold létrehozása érdekében? A California Institute of Technology új tanulmánya arra utal, hogy ennek az ősi bolygónak a maradványai még mindig léteznek a Földön, ami megmagyarázza a mag-köpeny határa közelében lévő „foltok” eredetét.

Hivatkozás: Qian Yuan, Mingming Li és Stephen J. „Holdképző ütközés, mint a Föld alapköpeny-anomáliájának forrása”. Desch, Byung-Kwan Koo, Hongpeng Deng és Edward J. Garnero, Travis S.J. Gabriel és Jacob A. , Vincent Ecke és Paul D. Asimov, 2023. október 32. természet.
doi: 10.1038/s41586-023-06589-1

Qian Yuan az első szerző. Yuan és Asimo mellett a Caltech további társszerzője Yoshinori Miyazaki, a Stanback posztdoktori kutatója, aki az összehasonlító bolygóevolúcióval foglalkozik. További társszerzők Mingming Li, Stephen Desch és Edward Garnero (PhD ’94), az Arizona State University (ASU) munkatársa; Byungkwan Ko, az Arizonai Állami Egyetemről és a Michigani Állami Egyetemről; Hongping Ding a Kínai Tudományos Akadémiától; Travis Gabriel, az USGS-től; Jacob Kegeris NASAAmes Kutatóközpont; és Vincent Ecke a Durham Egyetemről. A finanszírozást a National Science Foundation, a Caltech Aoki Earle Posztdoktori Ösztöndíja, az USGS, a NASA és a Caltech Center for Comparative Planetary Evolution biztosította.