Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, дает информацию о важном периоде формирования нашей планеты, когда глубокое море раскаленной магмы простиралось по поверхности Земли и простиралось на сотни километров в ее недра.
Постепенное охлаждение и кристаллизация этого «магматического океана» задают химический состав недр Земли – определяющий этап в сборке структуры нашей планеты и формировании нашей ранней атмосферы.
Ученые знают, что катастрофические удары во время образования Земли и Луны сгенерировали бы достаточно энергии, чтобы растопить внутреннюю часть нашей планеты. Но мы мало что знаем об этой далекой и бурной фазе истории Земли, потому что тектонические процессы переработали почти все породы старше 4 миллиардов лет.
Теперь исследователи обнаружили химические остатки магматического океана в 3-х.Камни возрастом 6 миллиардов лет из юго-западной Гренландии.
Полученные данные подтверждают давнюю теорию о том, что Земля когда-то была почти полностью расплавленной, и открывают окно в то время, когда планета начала затвердевать и развивать химию, которая теперь управляет ее внутренней структурой. Исследование предполагает, что другие породы на поверхности Земли также могут сохранять свидетельства существования древних океанов магмы.
"Есть несколько возможностей получить геологические ограничения на события в первый миллиард лет истории Земли. Поразительно, что мы даже можем держать эти камни в руках – не говоря уже о том, чтобы получить так много подробностей о ранней истории нашей планеты », – сказала ведущий автор доктор Хелен Уильямс из Кембриджского Департамента наук о Земле.
Исследование объединяет судебно-химический анализ с термодинамическим моделированием в поисках первобытного происхождения гренландских горных пород и того, как они попали на поверхность.
На первый взгляд скалы, составляющие супракрустальный пояс Гренландии Исуа, выглядят так же, как любой современный базальт, который вы найдете на морском дне.
Но это обнажение, впервые описанное в 1960-х годах, является самым старым обнажением горных пород на Земле. Известно, что он содержит самые ранние свидетельства микробной жизни и тектоники плит.
Новое исследование показывает, что в породах Исуа также сохранились редкие свидетельства того, что возникло еще до тектоники плит – остатки некоторых кристаллов, оставшихся после охлаждения магматического океана.
"Это было сочетание некоторых новых проведенных нами химических анализов и ранее опубликованных данных, которые указали нам, что породы Исуа могут содержать следы древнего материала. Изотопы гафния и неодима были действительно заманчивыми, потому что эти изотопные системы очень трудно модифицировать, поэтому нам пришлось более подробно изучить их химию », – сказал соавтор доктор Ханика Ризо из Карлтонского университета.
Систематика изотопов железа подтвердила Уильямсу и его команде, что породы Исуа были получены из частей недр Земли, которые образовались в результате кристаллизации магматического океана.
Большая часть этой первобытной породы была перемешана в мантии за счет конвекции, но ученые считают, что некоторые изолированные зоны глубоко на границе между мантией и ядром – древние кристаллические кладбища – могли оставаться нетронутыми в течение миллиардов лет.
Это реликвии этих хрустальных кладбищ, которые Уильямс и ее коллеги наблюдали в химии горных пород Исуа. «Эти образцы с железным отпечатком пальца также имеют аномалию вольфрама – признак образования Земли – что заставляет нас думать, что их происхождение можно проследить до этих первобытных кристаллов», – сказал Уильямс.
Но как эти сигналы из глубокой мантии попали на поверхность?? Их изотопный состав показывает, что они не просто попали в воду в результате плавления на границе ядро-мантия. Их путь был более окольным, включавшим несколько стадий кристаллизации и переплавки – своего рода процесс дистилляции. Смесь древних кристаллов и магмы сначала мигрировала в верхнюю мантию, где была взбита, чтобы создать «мраморный пирог» из скал с разных глубин.
Позднее плавление этого гибрида пород и привело к образованию магмы, питавшей эту часть Гренландии.
Выводы команды показывают, что современные горячие вулканы, которые, как считается, образовались относительно недавно, на самом деле могут находиться под влиянием древних процессов.
«Геохимические сигналы, о которых мы сообщаем в породах Гренландии, имеют сходство с породами, извергавшимися из горячих точек вулканов, таких как Гавайи – нас интересует, могут ли они также проникать в глубины и достигать внутренних областей, обычно недоступных для нас», – сказал Доктор Оливер Шорттл, который работает совместно в Кембриджском Департаменте наук о Земле и Институте астрономии.
Выводы команды стали результатом проекта, финансируемого Deep Volatiles, 5-летней исследовательской программы, финансируемой НКРЭ. Теперь они планируют продолжить свои поиски в понимании магматического океана, расширив свои поиски ключей в древних породах и экспериментально моделируя фракционирование изотопов в нижней мантии.
«Мы смогли распознать, что одна часть внутренней части нашей планеты делала миллиарды лет назад, но чтобы заполнить картину дальше, мы должны продолжать поиски большего количества химических ключей в древних породах», – сказал соавтор доктор Саймон Мэтьюз из Исландский университет.
Ученые часто неохотно ищут химические доказательства этих древних событий. "Доказательства часто меняются с течением времени. Но тот факт, что мы обнаружили то, что мы сделали, предполагает, что химический состав других древних горных пород может дать более глубокое понимание формирования и эволюции Земли – и это очень захватывающе », – сказал Уильямс.