Аномалии на границе ядра и мантии помогли объяснить, почему Земля стала обитаемой

На глубине почти 2 900 км под нашими ногами — на границе мантии и ядра — прячутся два гигантских аномальных образования, которые десятилетиями ставили геофизиков в тупик. Новое исследование, опубликованное в Nature Geoscience, предлагает объяснение того, как они возникли и почему важны для понимания, как Земля стала пригодной для жизни.

Что нашли внутри Земли? Речь идёт о двух типах структур:

• областях с низкой скоростью поперечных волн (LLSVP) — это континентальные по масштабу «глыбы» более горячих и плотных пород, одна под Африкой, другая под Тихим океаном;

• зонах ультранизких скоростей (ULVZ) — тонких расплавленных «лепёшках» на границе ядра и мантии, похожих на лужи лавы.

Обе структуры резко замедляют прохождение сейсмических волн, что указывает на необычный состав по сравнению с остальной мантией.

По словам Йошинори Миядзаки, геодинамика из Rutgers University и ведущего автора работы, это не «случайные странности», а своеобразные «отпечатки» самой ранней истории Земли. Поняв, почему они существуют, мы лучше поймём, как сформировалась наша планета и почему стала обитаемой.

Миллиарды лет назад Земля, по современным представлениям, была покрыта глобальным океаном магмы. При остывании, казалось бы, мантия должна была расслоиться по составу — как охлаждённый сок, где сладкий концентрат опускается вниз, а сверху остаётся более «водянистый» слой.

Но сейсмические данные такого чёткого послойного строения не показывают. Вместо этого у самого основания мантии видны крупные «груды» аномального вещества — те самые LLSVP и пятна расплава ULVZ.

«Если начать расчёты от океана магмы, мы не приходим к тому, что реально наблюдаем в мантии Земли. Чего-то в этой картине не хватало», — поясняет Миядзаки.

В новой работе учёные предлагают «недостающим элементом» считать само ядро. Модель показывает, что на протяжении миллиардов лет элементы вроде кремния и магния могли «просачиваться» из ядра в нижнюю мантию, перемешиваясь с ней и не давая сформироваться жёсткой химической стратификации.

Такое «подмешивание» вещества ядра, по расчётам, объясняет необычный состав и поведение LLSVP и ULVZ. Исследователи рассматривают их как затвердевшие остатки древнего «базального океана магмы», загрязнённого компонентами, выделившимися из ядра.

Речь идёт не только о химии недр, подчёркивает Миядзаки. Взаимодействие ядра и мантии влияет на то, как планета остывает, как развивается вулканизм и как в итоге формируется атмосфера. Это может частично объяснять, почему Земля имеет океаны, умеренный климат и жизнь, тогда как Венера превратилась в перегретый парниковый мир, а Марс — в холодную пустыню с тонкой атмосферой.

То, как внутри планеты перетекает тепло и изменяются слои, может быть ключом к ответу на вопрос, почему атмосфера Земли относительно стабильна, а у соседних планет — нет.

Авторы работы также считают, что глубокие структуры на границе ядра и мантии могут подпитывать горячие точки вулканизма, такие как Гавайи и Исландия, создавая прямую связь между самыми глубинными слоями Земли и её поверхностью.

Исследование объединило данные сейсмологии, физики минералов и численного моделирования эволюции недр. В итоге LLSVP и ULVZ предстают уже не «аномалиями», а ключевыми свидетелями ранней истории планеты.

Как отмечает соавтор работы Цзе Дэн из Принстонского университета, идея о том, что нижняя мантия до сих пор хранит химическую «память» первых взаимодействий ядра и мантии, открывает новый путь к пониманию уникальной эволюции Земли.

Каждый новый фрагмент данных, подчёркивает Миядзаки, помогает собрать более цельную картину того, как менялась Земля и почему именно она стала особенной среди планет.