Наша планета хранила их в своих недрах
Ученые из Массачусетского технологического института и их коллеги обнаружили чрезвычайно редкие остатки «прото-Земли», которая сформировалась около 4,5 миллиарда лет назад, до того, как колоссальное столкновение необратимо изменило состав примитивной планеты и привело к появлению Земли в том виде, в котором мы знаем ее сегодня. Их открытие, о котором сообщается в журнале Nature Geosciences, поможет ученым собрать воедино изначальные компоненты, из которых сформировалась ранняя Земля и остальная часть Солнечной системы.
Миллиарды лет назад ранняя Солнечная система представляла собой вращающийся диск из газа и пыли, которые со временем собрались в комки и образовали первые метеориты, а те, в свою очередь, слились в прото-Землю и соседние с ней планеты.
На этом самом раннем этапе Земля, скорее всего, была каменистой и бурлила лавой. Затем, менее чем через 100 миллионов лет, в молодую планету врезался метеорит размером с Марс. Это было уникальное гигантское столкновение, которое полностью изменило и расплавило недра планеты, фактически перезапустив ее химический состав. Считается, что первоначальный материал, из которого состояла прото-Земля, полностью трансформировался.
Но результаты исследования команды Массачусетского технологического института говорят об обратном. Исследователи обнаружили химическую сигнатуру в древних породах, которая уникальна для большинства других материалов, встречающихся на Земле сегодня. Сигнатура представляет собой незначительный дисбаланс изотопов калия, обнаруженный в образцах очень древних и залегающих глубоко пород. Команда установила, что дисбаланс калия не мог быть вызван какими-либо предыдущими крупными столкновениями или геологическими процессами, происходящими на Земле в настоящее время.
Наиболее вероятное объяснение химического состава образцов состоит в том, что они представляют собой остатки материала прото-Земли, которые каким-то образом сохранились неизменными, в то время как большая часть молодой планеты подверглась воздействию и трансформировалась.
«Возможно, это первое прямое доказательство того, что мы сохранили материалы прото-земли, — говорит Николь Ни (Nicole Nie), доцент кафедры наук о Земле и планетах Массачусетского технологического института. — Мы видим часть очень древней Земли, существовавшей еще до гигантского столкновения. Это удивительно, потому что мы ожидали, что эти очень ранние следы будут постепенно стираться в ходе эволюции Земли».
Любопытная аномалия
В 2023 году Ни и ее коллеги проанализировали множество крупных метеоритов, собранных в разных уголках мира и тщательно изученных. Прежде чем упасть на Землю, эти метеориты, вероятно, сформировались в разное время и в разных местах Солнечной системы и, следовательно, отражают изменения условий в Солнечной системе с течением времени. Когда исследователи сравнили химический состав этих метеоритов с земным, они обнаружили среди них изотопную аномалию калия.
Изотопы — это немного отличающиеся друг от друга версии одного и того же элемента, у которых одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Элемент калий может существовать в виде одного из трех встречающихся в природе изотопов с массовыми числами (количество протонов плюс нейтроны), равными 39, 40 и 41 соответственно. Где бы ни был обнаружен калий на Земле, он существует в характерном сочетании изотопов, при этом калий-39 и калий-41 преобладают в подавляющем большинстве случаев. Калий-40 присутствует, но в ничтожно малом количестве по сравнению с другими элементами.
Ученые обнаружили, что в метеоритах, которые они изучали, соотношение изотопов калия отличалось от соотношения в большинстве материалов на Земле. Эта калиевая аномалия позволяет предположить, что любой материал с подобным отклонением, скорее всего, существовал до того, как сформировался современный состав Земли. Другими словами, любое отклонение в соотношении калия будет явным признаком того, что материал относится к прото-Земле, существовавшей до того, как в результате гигантского столкновения химический состав планеты изменился.
«Созданы разными»
Во время текущего исследования команда ученых искала признаки калиевых аномалий не в метеоритах, а на Земле. Их образцы включают в себя горные породы в виде порошка, добытые в Гренландии и Канаде, где находятся одни из самых древних сохранившихся горных пород. Они также проанализировали лавовые отложения, собранные на Гавайях, где вулканы подняли на поверхность некоторые из самых древних и глубинных материалов мантии (самого толстого слоя горных пород планеты, отделяющего кору от ядра).
Сначала команда растворила различные образцы порошка в кислоте, затем тщательно выделила калий из остальной части образца и с помощью специального масс-спектрометра измерила соотношение трех изотопов калия. Примечательно, что в образцах была обнаружена изотопная сигнатура, отличающаяся от той, что встречается в большинстве материалов на Земле.
В частности, они выявили дефицит изотопа калия-40. В большинстве материалов на Земле этот изотоп составляет незначительную долю по сравнению с двумя другими изотопами калия. Но исследователи смогли определить, что в их образцах содержание калия-40 было еще меньше. Обнаружить этот незначительный дефицит — все равно что найти в ведре одну песчинку коричневого песка, а не целую горсть желтого.
Команда обнаружила, что в образцах действительно наблюдается дефицит калия-40, что свидетельствует о том, что материалы были созданы иначе, по словам Ни, по сравнению с большинством того, что мы видим на Земле сегодня.
Но могли ли эти образцы быть редкими остатками прото-Земли? Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи предположили, что это возможно. Они рассуждали так: если прото-Земля изначально состояла из материалов с низким содержанием калия-40, то большая часть этого материала претерпела бы химические изменения в результате гигантского столкновения и последующих столкновений с более мелкими метеоритами, что в конечном счете привело бы к появлению материалов с большим содержанием калия-40, которые мы видим сегодня.
Команда использовала данные о составе всех известных метеоритов и смоделировала, как изменится дефицит калия-40 в образцах после столкновения с этими метеоритами и с гигантским метеоритом. Они также смоделировали геологические процессы, происходившие на Земле с течением времени, такие, как нагрев и перемешивание мантии. В результате моделирования был получен состав с немного более высокой долей калия-40 по сравнению с образцами из Канады, Гренландии и Гавайев. Что еще более важно, смоделированный состав соответствовал составу большинства современных материалов.
В работе предполагается, что материалы с дефицитом калия-40, скорее всего, являются остатками исходного материала протопланеты Земля.
Любопытно, что состав образцов не совпадает с составом ни одного другого метеорита из коллекций геологов. Хотя метеориты, исследованные командой в ходе предыдущей работы, демонстрировали калиевые аномалии, они не соответствуют дефициту, наблюдаемому в образцах прото-земли. Это означает, что метеориты и материалы, из которых изначально состояла прото-земля, еще предстоит обнаружить.
«Ученые пытались понять изначальный химический состав Земли, сопоставляя составы различных групп метеоритов, — говорит Ни. — Но наше исследование показывает, что существующий список метеоритов не является полным и нам еще многое предстоит узнать о происхождении нашей планеты».
Наша планета менялась неоднократно — например, всего два десятилетия назад вблизи ее ядра произошел загадочный сдвиг.
Об авторе
