Геологи нашли следы прото-Земли: каким был мир, уничтоженный 4,5 миллиарда лет назад?

Планета, на которой мы живём, это не та планета, что родилась изначально. Странное, конечно, утверждение, но оно полностью точное. Примерно 4,5 миллиарда лет назад катастрофа космического масштаба — столкновение с объектом размером с Марс — расплавила и полностью перемешала химический состав юной Земли. Это событие создало Луну и, как считалось, навсегда стёрло все следы мира, который был до него. Любой первозданный материал должен был раствориться в кипящем океане магмы.

Но мог ли хоть какой-то фрагмент первозданного мира уцелеть? До недавнего времени ответ был отрицательным. Но исследование учёных из MIT и других институтов, опубликованное в Nature Geosciences, предлагает первые прямые доказательства обратного. В самых древних и глубоких породах нашей планеты обнаружена химическая подпись, которая не принадлежит современной Земле.

Что такое «гигантское столкновение»?

В прошлом Солнечная система представляла собой хаотичный диск из газа и пыли. Частицы слипались, образуя всё более крупные тела — метеориты и планеты. Так родилась и прото-Земля, но её существование было недолгим.

Удар, известный как «гигантское столкновение», стал для неё и концом, и новым началом. Энергия удара была очень велика, и планета превратилась в шар расплавленной породы. Более лёгкие элементы поднялись к поверхности, тяжёлые — опустились к центру, формируя ядро. Этот процесс, по сути, обнулил всю предыдущую геологическую историю. Химический состав планеты был гомогенизирован, усреднён. А все процессы, которые мы наблюдаем сегодня, это результат эволюции именно этой, второй по счёту, Земли.

Поэтому и считалось, что безнадёжно искать следы прото-Земли.

Где искать то, чего не должно быть?

Если допустить, что фрагменты древнего мира всё же сохранились, они должны были находиться там, куда геологические процессы перемешивания добрались в последнюю очередь. Логически вывели два направления поисков:

1. Самые древние породы на поверхности. Образцы были взяты в Гренландии и Канаде, где находятся скальные щиты — участки земной коры, остававшиеся стабильными миллиарды лет.
2. Самые глубокие слои мантии. Вулканы на Гавайях питаются так называемыми мантийными плюмами — потоками горячего вещества, поднимающегося с огромной глубины, от самой границы с ядром. Эта лава несёт в себе информацию о составе нижних слоёв мантии, которые были изолированы от поверхностных процессов.

Ключевым инструментом анализа стала изотопная геохимия. Изотопы — это версии одного и того же химического элемента, которые отличаются массой из-за разного числа нейтронов в ядре. Их соотношение в породе может рассказать о её происхождении. Учёные сосредоточились на калии.

Сигнатура из прошлого: аномалия калия-40

На Земле калий встречается в виде трёх изотопов: калий-39, калий-41 и крайне редкий калий-40. Их соотношение в земной коре, метеоритах и лунных породах хорошо известно и считается практически константой.

Однако в предыдущих работах команда Николь Ни из MIT обнаружила, что разные типы метеоритов, а они строительные блоки планет, имеют немного отличающиеся изотопные пропорции калия. Это сделало калий потенциальным маркером для отслеживания происхождения планетного вещества.

Когда учёные проанализировали образцы из Гренландии, Канады и Гавайев, они увидели что в этих породах наблюдался отчётливый дефицит калия-40. Даже с учетом его редкости, его было сильно меньше чем в стандартной земной пропорции.

Такой дисбаланс невозможно объяснить ни одним из известных геологических процессов, протекающих на современной Земле, он не мог возникнуть в результате вулканизма или тектонической активности. Единственное объяснение — эти породы унаследовали свой химический состав от исходного материала, который был сформирован иначе, чем всё остальное.

Как доказать, что это не случайность?

Наличие аномалии — это ещё не доказательство. Чтобы подтвердить свою гипотезу, исследователи применили компьютерное моделирование. Проверялось что произойдёт, если взять за основу планету, целиком состоящую из материала с дефицитом калия-40, а затем обрушить на неё гигантское столкновение и последующую бомбардировку метеоритами?

После учёта всех катаклизмов и миллиардов лет геологической эволюции изначальный материал с дефицитом калия-40 превращался в вещество с изотопным составом, который в точности соответствует современной земной коре.

Это означает, что найденные образцы, скорее всего, представляют собой исходное состояние, то есть и являются фрагментами прото-Земли.

Границы интерпретации

Подытоживая, важно понимать, что именно обнаружили учёные. Это не физический кусок породы прото-Земли, а её химический след, который сохранился в более молодых породах. Так что всё строится на том, что мы знаем все возможные процессы в глубоких слоях мантии, которые могли бы изменить соотношение изотопов калия за миллиарды лет. Если же существует какой-то неизвестный науке геологический процесс, способный создавать такой же дефицит калия-40, то выводы могут быть другими.