Новое исследование, соавтором которого является доктор Саймон Марч из Юго-Западного исследовательского института, обнаружило первый геофизически правдоподобный сценарий, который может объяснить обилие некоторых драгоценных металлов в мантии Земли, включая золото и платину. Основываясь на симуляциях или моделях, ученые обнаружили, что сценарии смешивания материалов мантии, вызванные ударами, могут предотвратить полное погружение металлов в ядро.

Новое исследование, соавтором которого является доктор Саймон Марч из Юго-Западного исследовательского института, обнаружило первый геофизически правдоподобный сценарий, который может объяснить обилие некоторых драгоценных металлов в мантии Земли, включая золото и платину. Основываясь на этом моделировании, ученые обнаружили сценарий ударного перемешивания мантийного материала, который может предотвратить полное погружение металлов в ядро. Источник изображения: Юго-Западный научно-исследовательский институт.

В начале своей эволюции, около 4,5 миллиардов лет назад, Земля столкнулась с планетой размером с Марс, и Луна, возможно, образовалась из фрагментов диска, ударившего о орбиту Земли. За этим последовал длительный период бомбардировки, известный как «поздняя аккреция», когда планетезимали размером с Луну столкнулись с Землей, высвободив материал, включающий высоко «сидерофильные» элементы (HSE) (металлы с сильным сродством к железу), которые были включены в молодую Землю.

«Предыдущие моделирования проникающих в мантию ударов показали, что лишь небольшая часть металлического ядра планетезималей может быть ассимилирована мантией, и что большинство этих металлов, включая HSE, быстро перетекают в ядро», — сказал Марч. Соавтор статьи в Трудах Национальной академии наук (PNAS), в которой излагаются новые результаты. «Это подводит нас к вопросу: как Земля приобрела некоторые из своих драгоценных металлов? Мы разработали новые модели, чтобы попытаться объяснить смесь металлических и каменных материалов в мантии сегодня».

Эта схема иллюстрирует наиболее геофизически правдоподобное объяснение присутствия большого количества металлов HSE в мантии Земли. При длительной бомбардировке ударный элемент ударится о Землю и доставит материал. (а) Жидкий металл должен был погрузиться в локально образовавшийся в результате удара океан магмы, а затем просочиться в частично расплавленную область внизу. (б) Сжатие приводит к затвердеванию и опусканию металла в расплавленной зоне. (c) Затем тепловая конвекция перемешивает и перераспределяет пропитанный металлами состав мантии в более длительных геологических временных масштабах. Источник изображения: Юго-Западный научно-исследовательский институт.

Относительное обилие HSE в мантии позволяет предположить, что HSE были доставлены в результате ударов после образования ядра. Однако сохранение этих элементов в мантии пока сложно смоделировать. Новое моделирование рассматривает, как частично расплавленная область под океаном магмы, созданная в результате локального удара, может предотвратить падение планетезимального металла в ядро ​​Земли.

«Для этого мы смоделировали смешивание столкнувшихся планетезималей с мантийным материалом в трех стадиях потока: твердые силикатные минералы, расплавленная силикатная магма и жидкий металл», — сказал доктор Джун Коренага из Йельского университета, ведущий автор статьи. «Быстрая динамика этой трехфазной системы в сочетании с длительным перемешиванием, обеспечиваемым конвекцией в мантии, позволяет HSE планетезималей удерживаться в мантии».

В этом случае ударник ударился бы о Землю, создав локальный океан жидкой магмы, в котором тяжелые металлы опустились бы на дно. Когда металл достигает частично расплавленной области внизу, он быстро проникает в расплав, а затем медленно опускается на дно мантии. Во время этого процесса расплавленная мантия затвердевает, захватывая металл. Именно тогда начинается конвекция, поскольку тепло от ядра Земли заставляет материал твердой мантии очень медленно покачиваться, и возникающий поток переносит тепло из недр на поверхность Земли.

«Мантийная конвекция — это процесс, при котором горячий материал мантии поднимается, а более холодный материал опускается», — сказал Коренага. «Мантия почти полностью твердая, хотя на протяжении длительных геологических периодов времени она ведет себя как пластичная и очень вязкая жидкость, которая смешивает и перераспределяет мантийный материал, включая HSE, накопленный в результате крупных столкновений, произошедших миллиарды лет назад».