Неожиданное открытие, сделанное геохимиками Университета Мериленда, указывает на то, что части мантии Земли сформировались, когда наша планета была намного меньше, чем сейчас, и часть этой изначальной мантии пережила турбулентности, сопровождавшие формирование Земли. К ним относятся не только регулярные процессы эволюции планеты, но даже столкновение с другим объектом большого размера, приведшим (согласно наиболее популярной гипотезе) к образованию Луны.

«Считается, что Земля выросла до текущего размера в ходе столкновений с объектами все увеличивающегося размера. Этот процесс мог протекать в течение десятков миллионов лет, но наши данные говорят о том, что некоторые части земной мантии образовались всего через 10-20 миллионов лет после рождения самой Солнечной системы. Эти части, образовавшиеся на самых ранних стадиях формирования Земли, остались уникальными в течение не менее чем 2.8 миллиардов лет», – говорит профессор Университета Мериленда, геолог Ричард Уокер, глава команды исследователей.

Это открытие опровергает наиболее распространенный взгляд на столкновение, сформировавшее Землю на заре ее существования. Это мощнейшее столкновение между протопланетным диском Земли и планетоидом размером примерно в половину его (размер Марса) должно было настолько усилить внутренние источники тепла планеты, что ее слои неизбежно подверглись бы активному перемешиванию. Возможно, в результате вся Земля должна был расплавиться. Это должно было гомогенизировать состав мантии, сформировавшейся до столкновения с тем, что получилось после него. Тогда никаких следов ранней Земли не должно было остаться в застывших вулканических породах, выброшенных вулканами через полтора миллиарда лет после образования планеты.

Но команда Уокера, изучавшая эти самые породы, нашла их состав противоречащим этой гипотезе. Их состав сильно отличается от того, что можно было бы ожидать в результате полного или частичного расплавления и перемешивания планеты в результате столкновения.

Изотопный анализ

«Мы исследовали найденную в России вулканическую породу возрастом 2.8 миллиарда лет, и обнаружили, что изотопный состав вольфрама сильно отличается от того, который наблюдается в большинстве подобных образцов, – говорит Матье Тубул, сотрудник Геологического отдела Университета Мериленда. – Этот состав отличается и от того, который вы найдете в обычных лампах нагрева. Мы считаем, что обнаруженное нами соотношение изотопов является указанием на наиболее ранние области мантии, образовавшиеся когда Земля была еще в два раза легче, чем сейчас».

Как и все другие элементы, вольфрам встречается в виде нескольких изотопов, атомов в одинаковым числом протонов и электронов, но различным числом нейтронов. Так что изотопы одного элемента имеют идентичные химические свойства, но разные массу и свойства, проявляющиеся на ядерном уровне. С течением времени некоторые нестабильные (радиоактивные) изотопы распадаются и превращаются в других, стабильные элементы. Скорость распада можно легко определить. Поэтому изотопный состав породы позволяет определить ее возраст. Команда из Мериленда работала с вольфрамом-182, одним из пяти его изотопов. Этот изотоп образуется в ходе радиоактивного распада гафния-182.

Согласно утверждениям авторов исследования, гафний-182 можно было встретить в солнечной системе во времена ее формирования, тогда как сейчас на Земле его нет. Период полураспада гафния-182 в вольфрам-182 составляет всего около 9 миллионов лет. Поэтому большое, по сравнению с другими образцами, количество вольфрама-182 в российских породах может объясняться только тем, что их образование было связано с процессами, протекавшими в первые миллионы лет после зарождения Солнечной системы, задолго то столкновения Земли и другого планетоида.

В российских породах возрастом 2.8 миллиарда лет было обнаружено значительное превышение содержания вольфрама-182. «Это отличие в изотопном составе может быть объяснено только тем, что молодая Земля быстро приобрела тот вид, который она имеет сейчас, с твердым металлическим ядром, преимущественно кремниевой мантией и, возможно, даже корой. Это произошло в ходе первых 60 миллионов лет 4.57-миллиардной истории Солнечной системы», – говорит Тубул.

«Сама эта мысль не нова для геологов, – добавляет он. – Интерес представляет то, что молодая Земля имела не то химическое строение, которое мы ожидали обнаружить, и что следы этого пережили столкновение, создавшее Луну. Более того, эти области остались незатронутыми перемешиванием в мантии до того, как они приподнялись на поверхность и были выброшены наружу примерно 2.8 миллиарда лет назад».

Высокая точность

Команда из Университета Мериленда объясняет свое открытие новой методикой изотопного анализа, позволяющей определить соотношение между различными изотопами вольфрама с невиданной ранее точностью. «Для этого мы отделяем вольфрам от породы, в которой он был найден и очищаем его от примесей. После этого при помощи масс-спектрометра можно легко и точно определить, сколько изотопов разной массы было в образце», – говорит Тубул. По мнению геологов, их открытие имеет большое значения ля понимания процессов образования Земли, ее разделения на ядро, мантию и кору и процессы, протекающие в мантии.

«Наши данные говорят о том, что мантия Земли никогда полностью не плавилась и не было гомогенизована, а конвективное перемешивание мантии было не таким сильным, – говорит Уокер. – Но множество вопросов остается без ответа. Образцы, которые мы исследовали, имеют возраст 2.8 миллиарда лет. Мы не знаем, можно ли найти более молодые камни с аналогичным изотопным составом. В наших ближайших планах исследование современных образцов».