Геологи виявили перші свідчення існування "прото-Землі" віком 4,5 мільярда років

Матеріали з древніх порід можуть розкрити умови ранньої Сонячної системи, які сформували ранню Землю, ще до «гігантського удару», та інші планети.

Про це розповідають в Массачусетському технологічному інституті (MIT), передають OstanniPodii.com.

Вчені з MIT та інших установ виявили надзвичайно рідкісні залишки «прото-Землі», яка утворилася близько 4,5 мільярда років тому, до того, як колосальне зіткнення безповоротно змінило склад первісної планети й створило Землю, яку ми знаємо сьогодні. Їхні висновки, опубліковані в журналі Nature Geosciences, допоможуть вченим зібрати воєдино первинні компоненти, які сформували ранню Землю та решту Сонячної системи.

Мільярди років тому рання Сонячна система була вихровим диском з газу й пилу, який з часом згустився та накопичився для утворення найперших метеоритів, які, своєю чергою, злилися, утворивши прото-Землю та сусідні планети.

На цьому найпершому етапі Земля, ймовірно, була кам′янистою та кипіла лавою. Потім, менш ніж через 100 мільйонів років, метеорит розміром з Марс врізався в молоду планету в результаті унікального «гігантського удару», який повністю перемішав і розплавив внутрішню частину планети, фактично перезапустивши її хімічний склад. Вважалося, що будь-який первинний матеріал, з якого складалася прото-Земля, був повністю трансформований.

Але висновки команди свідчать про інше. Дослідники виявили в стародавніх породах хімічну ознаку, яка відрізняється від більшості інших матеріалів, що знаходяться на Землі сьогодні. Ця ознака має вигляд ледь помітного дисбалансу ізотопів калію, виявленого в зразках дуже старих і дуже глибоких порід. Команда визначила, що дисбаланс калію не міг бути спричинений жодним попереднім великим зіткненням або геологічними процесами, що відбуваються на Землі зараз.

Найбільш ймовірним поясненням хімічного складу зразків є те, що вони є залишками матеріалу прото-Землі, який якимось чином залишився незмінним, навіть коли більша частина ранньої планети зазнала удару та трансформації.

«Це, можливо, перший прямий доказ того, що ми зберегли матеріали прото-Землі», — каже Ніколь Ні, доцентка кафедри наук про Землю та планети MIT, співавторка дослідження. «Ми бачимо шматок дуже стародавньої Землі, навіть до гігантського удару. Це дивовижно, тому що ми очікували, що ці дуже ранні сліди будуть повільно стиратися в процесі еволюції Землі».

У дослідженні також взяли участь вчені з Чендуського технологічного університету в Китаї, Карнегіївського інституту науки у Вашингтоні, ЕТН Цюрих у Швейцарії та Скріппського інституту океанографії в Каліфорнії.

Цікава аномалія

У 2023 році Ні та її колеги проаналізували багато великих метеоритів, які були зібрані з різних місць по всьому світу та ретельно вивчені. Перед тим як впасти на Землю, ці метеорити, ймовірно, утворилися в різні часи та в різних місцях Сонячної системи, а тому відображають зміни умов Сонячної системи з плином часу. Порівнюючи хімічний склад цих зразків метеоритів зі складом Землі, дослідники виявили серед них «ізотопну аномалію калію».

Ізотопи — це дещо відмінні версії елемента, які мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів. Елемент калій може існувати в одному з трьох природних ізотопів з масовими числами (протони плюс нейтрони) 39, 40 і 41 відповідно. Де б не був знайдений калій на Землі, він існує в характерній комбінації ізотопів, де калій-39 і калій-41 переважають. Калій-40 присутній, але в порівняно незначній кількості.

Ні та її колеги виявили, що метеорити, які вони досліджували, мали баланс ізотопів калію, який відрізнявся від більшості матеріалів на Землі. Ця аномалія калію натякала про те, що будь-який матеріал, який має подібну аномалію, ймовірно, є давнішим за сучасний склад Землі. Іншими словами, будь-який дисбаланс калію був би сильною ознакою матеріалу з прото-Землі, до того, як гігантський удар змінив хімічний склад планети.

«У цій роботі ми виявили, що різні метеорити мають різні ізотопні сигнатури калію, а це означає, що калій можна використовувати як індикатор будівельних блоків Землі», — пояснює Ні.

«Побудовані по-різному»

У поточному дослідженні команда шукала ознаки аномалій калію не в метеоритах, а всередині Землі. Їхні зразки включають порошкоподібні скелясті породи з Гренландії та Канади, де знайдено деякі з найдавніших збережених скелястих порід. Вони також проаналізували відкладення лави, зібрані на Гаваях, де вулкани винесли на поверхню деякі з найдавніших і найглибших матеріалів Землі з мантії (найтовстішого шару скелястих порід планети, що відокремлює кору від ядра).

«Якщо цей калієвий слід зберігся, ми хотіли б шукати його в глибокому часі та глибокій Землі», — каже Ні.

Спочатку команда розчинила різні зразки порошку в кислоті, потім ретельно виділила калій з решти зразка й за допомогою спеціального мас-спектрометра виміряла співвідношення трьох ізотопів калію. Примітно, що вони виявили в зразках ізотопний слід, який відрізнявся від того, що було знайдено в більшості матеріалів на Землі.

Зокрема, вони виявили дефіцит ізотопу калію-40. У більшості матеріалів на Землі цей ізотоп вже є незначною часткою порівняно з двома іншими ізотопами калію. Але дослідники змогли розрізнити, що їхні зразки містили ще менший відсоток калію-40. Виявлення цього крихітного дефіциту схоже на пошук однієї піщинки коричневого піску в відрі, а не в лопаті, повній жовтого піску.

Команда виявила, що зразки дійсно мали дефіцит калію-40, що свідчить про те, що матеріали «були побудовані по-іншому», каже Ні, порівняно з більшістю того, що ми бачимо на Землі сьогодні.

Але чи могли ці зразки бути рідкісними залишками прото-Землі? Щоб відповісти на це питання, дослідники припустили, що це могло бути так. Вони міркували, що якщо прото-Земля спочатку була створена з таких матеріалів з дефіцитом калію-40, то більша частина цього матеріалу зазнала б хімічних змін — від гігантського удару та подальших, менших ударів метеоритів — що в кінцевому підсумку призвело б до появи матеріалів з більшою кількістю калію-40, які ми бачимо сьогодні.

Команда використовувала дані про склад кожного відомого метеорита та провела моделювання того, як дефіцит калію-40 у зразках змінювався б після ударів цих метеоритів і гігантського удару. Вони також змоделювали геологічні процеси, які відбувалися на Землі з плином часу, такі як нагрівання та перемішування мантії. Врешті-решт, їх моделювання дало склад з дещо вищою часткою калію-40 порівняно зі зразками з Канади, Гренландії та Гаваїв. Що ще важливіше, модельовані склади відповідали складам більшості сучасних матеріалів.

Ця робота припускає те, що матеріали з дефіцитом калію-40, ймовірно, є залишками оригінального матеріалу прото-Землі.

Цікаво, що характеристики зразків не збігаються з характеристиками жодного іншого метеорита в колекціях геологів. Хоча метеорити в попередній роботі команди демонстрували аномалії калію, вони не відповідають дефіциту, який спостерігається в зразках прото-Землі. Це означає, що метеорити та матеріали, з яких спочатку утворилася прото-Земля, ще не виявлені.

«Вчені намагаються зрозуміти первинний хімічний склад Землі, поєднуючи склади різних груп метеоритів, — каже Ні. — Але наше дослідження показує, що нинішній перелік метеоритів є неповним, і нам ще багато чого потрібно дізнатися про походження нашої планети».