Есть много гипотез, объясняющих, как появилась Луна. Одна из них была выдвинута в 1946 году и предполагает, что Луна сформировалась после столкновения в древности с Землёй крупного небесного тела. Долгое время эта гипотеза была в тени других и мало рассматривалась учёными, однако данные, полученные во время американских пилотируемых миссий «Аполлон», сделали гипотезу крайне популярной в научном мире. Та самая протопланета получила даже название — Тейя. Но новое исследование больше посвящено Земле, а не Луне.
Иллюстрация образования в мантии Земли крупных областей LLSVP с Тейей. Credit: Hernán Cañellas.
Исследование провели учёные из Китая, США, Японии и Великобритании, ведущий исследователь — Юань Цянь (Qian Yuan) из Университета штата Аризона. Объектом исследования стали LLSVP (Large low-shear-velocity provinces, русс. «Крупные области с низкой скоростью сдвига») — огромные (тысячи километров в длину и до тысячи километров по вертикали) структуры, в которых поперечные (сдвиговые) сейсмические волны распространяются медленнее, чем в окружающем веществе. LLSVP находятся под Африкой и Тихим океаном, на них приходится до 6% массы Земли. Ранее считалось, что LLSVP образовались во время подъёма разогретого мантийного вещества, но новые исследования выявили резкие эхологические границы, сами области плотные, что указывает на различие химического состава LLSVP и мантии. Версий происхождения этих областей много, но одна из них предполагает, что они образовались из-за столкновения с Тейей. Но как это могло произойти, и возможно ли это вообще?
LLSVP в мантии Земли. Credit: Cottaar & Lekic.
Области LLSVP, наложенные на карту Земли. Credit: Philip Heron.
Учёные провели довольно сложное моделирование возможных вариантов столкновения Тейи с древней Землёй. Для него использовали наиболее точные уравнения состояния, включающие свойства форстерита ― ортосиликата магния (Mg2SiO4), минерала из группы оливина, распространенного компонента ультраосновных магматических пород. Для расчётов использовались современные представления о том столкновении: масса Земли ― 90 % от массы текущей, масса Тейи ― 12 % от текущей массы нашей планеты, угол падения ― 45 °.
Моделирование показало, что примерно через 20 часов после такого столкновения земная мантия приобрела двухслойную структуру с границей на глубине 1300 ― 1400 километров относительно нынешнего земного радиуса. В верхнем слое преобладали расплав и газы, а в нижнем ― твёрдое вещество. Около 0,01 % от текущей массы Земли в нижнем слое приходилось на остатки Тейи, при этом до 30 % их оставались в твёрдом состоянии и были плотно сгруппированы. Сгустки расплавленного мантийного вещества Тейи в верхнем слое также могли достаточно быстро (1000 лет для пузыря радиусом 25 км) кристаллизоваться и утонуть.
Схема образования LLSVP и Луны в результате столкновения древней Земли с Тейей. Credit: Li et al.
Моделирование также показало, что появление оксида железа FeO (II) в составе лунных базальтов с массовой долей более 10 % также согласуются с гипотезой о столкновении и не противоречит гипотезе образования LLSVP в результате столкновения Земли с Тейей. Учёные построили несколько моделей динамики остатков Тейи в мантии Земли, исходя из значений массовой концентрации в них оксида железа 13 — 17 %, плотность таких фрагментов была на 1,25 — 5 % больше плотности окружающей магмы. LLSVP образовывались во всех моделях за исключением симуляции минимальных плотностей. Эти данные отлично согласуются с результатами изучения скорости наблюдений сейсмических волн в LLSVP: на 1 — 5 % медленнее, чем в остальных областях мантии.
Ещё одним доказательном древнего столкновения стал изотопный состав базальтов океанических островов, которые, как предполагается, появились в нижней мантии Земли. Если бы LLSVP образовались лишь за счёт собственного материала Земли, появление именно такого изотопного состава было бы маловероятно. При этом исследователи не исключают другие механизмы образования LLSVP, но в таком случае осталась дифференцировка вещества Тейи и Земли на момент образования базальтов. Текущая масса остатков Тейи в LLSVР, согласно расчётам, находится в диапазоне 1,4 — 2,6 %.
1
