Геологи обнаружили первые свидетельства существования «прото-Земли» возрастом 4,5 миллиарда лет

Материалы из древних пород могут раскрыть условия ранней Солнечной системы, которые сформировали раннюю Землю, еще до «гигантского удара», и другие планеты.

Об этом рассказывают в Массачусетском технологическом институте (MIT), передают OstanniPodii.com.

Ученые из MIT и других учреждений обнаружили чрезвычайно редкие остатки «прото-Земли», которая образовалась около 4,5 миллиарда лет назад, до того, как колоссальное столкновение безвозвратно изменило состав первоначальной планеты и создало Землю, которую мы знаем сегодня. Их выводы, опубликованные в журнале Nature Geosciences, помогут ученым собрать воедино первичные компоненты, сформировавшие раннюю Землю и остальную часть Солнечной системы.

Миллиарды лет назад ранняя Солнечная система была вихревым диском из газа и пыли, который со временем сгустился и накопился для образования самых первых метеоритов, которые, в свою очередь, слились, образовав прото-Землю и соседние планеты.

На этом самом первом этапе Земля, вероятно, была каменистой и кипела лавой. Затем, менее чем через 100 миллионов лет, метеорит размером с Марс врезался в молодую планету в результате уникального «гигантского удара», который полностью перемешал и расплавил внутреннюю часть планеты, фактически перезапустив ее химический состав. Считалось, что любой первичный материал, из которого состояла прото-Земля, был полностью трансформирован.

Но выводы команды свидетельствуют об обратном. Исследователи обнаружили в древних породах химический признак, который отличается от большинства других материалов, находящихся на Земле сегодня. Этот признак имеет вид едва заметного дисбаланса изотопов калия, обнаруженного в образцах очень старых и очень глубоких пород. Команда определила, что дисбаланс калия не мог быть вызван ни одним предыдущим крупным столкновением или геологическими процессами, происходящими на Земле сейчас.

Наиболее вероятным объяснением химического состава образцов является то, что они являются остатками материала прото-Земли, который каким-то образом остался неизменным, даже когда большая часть ранней планеты подверглась удару и трансформации.

«Это, возможно, первое прямое доказательство того, что мы сохранили материалы прото-Земли», — говорит Николь Ни, доцент кафедры наук о Земле и планетах MIT, соавтор исследования. «Мы видим кусок очень древней Земли, даже до гигантского удара. Это удивительно, потому что мы ожидали, что эти очень ранние следы будут медленно стираться в процессе эволюции Земли».

В исследовании также приняли участие ученые из Чэндуского технологического университета в Китае, Карнегиевского института науки в Вашингтоне, ETH Цюрих в Швейцарии и Скриппского института океанографии в Калифорнии.

Интересная аномалия

В 2023 году Ни и ее коллеги проанализировали много крупных метеоритов, которые были собраны из разных мест по всему миру и тщательно изучены. Перед тем как упасть на Землю, эти метеориты, вероятно, образовались в разное время и в разных местах Солнечной системы, а потому отражают изменения условий Солнечной системы с течением времени. Сравнивая химический состав этих образцов метеоритов с составом Земли, исследователи обнаружили среди них «изотопную аномалию калия».

Изотопы — это несколько отличающиеся версии элемента, которые имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Элемент калий может существовать в одном из трех природных изотопов с массовыми числами (протоны плюс нейтроны) 39, 40 и 41 соответственно. Где бы ни был найден калий на Земле, он существует в характерной комбинации изотопов, где калий-39 и калий-41 преобладают. Калий-40 присутствует, но в сравнительно незначительном количестве.

Ни и ее коллеги обнаружили, что метеориты, которые они исследовали, имели баланс изотопов калия, отличавшийся от большинства материалов на Земле. Эта аномалия калия намекала на то, что любой материал, имеющий подобную аномалию, вероятно, является более древним, чем современный состав Земли. Другими словами, любой дисбаланс калия был бы сильным признаком материала из прото-Земли, до того как гигантский удар изменил химический состав планеты.

«В этой работе мы обнаружили, что разные метеориты имеют разные изотопные сигнатуры калия, а это означает, что калий можно использовать как индикатор строительных блоков Земли», — объясняет Ни.

«Построены по-разному»

В текущем исследовании команда искала признаки аномалий калия не в метеоритах, а внутри Земли. Их образцы включают порошкообразные скальные породы из Гренландии и Канады, где найдены некоторые из древнейших сохранившихся скальных пород. Они также проанализировали отложения лавы, собранные на Гавайях, где вулканы вынесли на поверхность некоторые из древнейших и самых глубоких материалов Земли из мантии (самого толстого слоя скальных пород планеты, отделяющего кору от ядра).

«Если этот калиевый след сохранился, мы хотели бы искать его в глубоком времени и глубокой Земле», — говорит Ни.

Сначала команда растворила различные образцы порошка в кислоте, затем тщательно выделила калий из оставшейся части образца и с помощью специального масс-спектрометра измерила соотношение трех изотопов калия. Примечательно, что они обнаружили в образцах изотопный след, который отличался от того, что было найдено в большинстве материалов на Земле.

В частности, они обнаружили дефицит изотопа калия-40. В большинстве материалов на Земле этот изотоп уже является незначительной долей по сравнению с двумя другими изотопами калия. Но исследователи смогли различить, что их образцы содержали еще меньший процент калия-40. Обнаружение этого крошечного дефицита похоже на поиск одной песчинки коричневого песка в ведре, а не в лопате, полной желтого песка.

Команда обнаружила, что образцы действительно имели дефицит калия-40, что свидетельствует о том, что материалы «были построены по-другому», говорит 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 могло быть так. Они рассуждали, что если прото-Земля изначально была создана из таких материалов с дефицитом калия-40, то большая часть этого материала подверглась бы химическим изменениям — от гигантского удара и последующих, меньших ударов метеоритов — что в конечном итоге привело бы к появлению материалов с большим количеством калия-40, которые мы видим сегодня.

Команда использовала данные о составе каждого известного метеорита и провела моделирование того, как дефицит калия-40 в образцах изменялся бы после ударов этих метеоритов и гигантского удара. Они также смоделировали геологические процессы, происходившие на Земле с течением времени, такие как нагревание и перемешивание мантии. В конце концов, их моделирование дало состав с несколько более высокой долей калия-40 по сравнению с образцами из Канады, Гренландии и Гавайев. Что еще более важно, моделируемые составы соответствовали составам большинства современных материалов.

Эта работа предполагает, что материалы с дефицитом калия-40, вероятно, являются остатками оригинального материала прото-Земли.

Интересно, что характеристики образцов не совпадают с характеристиками ни одного другого метеорита в коллекциях геологов. Хотя метеориты в предыдущей работе команды демонстрировали аномалии калия, они не соответствуют дефициту, который наблюдается в образцах прото-Земли. Это означает, что метеориты и материалы, из которых изначально образовалась прото-Земля, еще не обнаружены.

«Ученые пытаются понять первоначальный химический состав Земли, сопоставляя составы различных групп метеоритов, — говорит Ни. — Но наше исследование показывает, что нынешний перечень метеоритов является неполным, и нам еще многое нужно узнать о происхождении нашей планеты».