На основе моделирования ученые пришли к выводу, что сценарий перемешивания мантийных материалов под действием ударных нагрузок может препятствовать полному погружению металлов в ядро Земли.

В начале своей эволюции, около 4,5 млрд лет назад, Земля столкнулась с планетой размером с Марс, и из образовавшихся обломков, выброшенных на орбиту Земли, сформировалась Луна. Затем последовал длительный период бомбардировки, так называемая «поздняя аккреция», когда планетезимали размером с нашу Луну при столкновении с Землей доставляли материалы, включая высоко „сидерофильные“ элементы (HSEs) — металлы с сильным сродством к железу, которые интегрировались в молодую Землю.

Предыдущее моделирование ударов, проникающих в мантию Земли, показало, что лишь малая часть металлического ядра планетезималей может быть ассимилирована мантией Земли, в то время как большая часть этих металлов, включая HSE, быстро стекает в ядро Земли, — сказал Марчи, который является соавтором статьи в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), описывающей новые результаты.

Это заставляет нас задаться вопросом: Как Земля получила некоторые из своих драгоценных металлов? Мы разработали новое моделирование, чтобы попытаться объяснить смесь металлов и пород в современной мантии.

Относительное обилие HSE в мантии указывает на то, что они попали в нее в результате удара после формирования ядра Земли. Однако до сих пор было трудно смоделировать процесс удержания этих элементов в мантии. В новой модели рассматривается вопрос о том, как частично расплавленная зона под локальным океаном магмы, образовавшимся в результате удара, могла затормозить спуск планетезимальных металлов в ядро Земли.

Для этого мы смоделировали смешивание импактного планетезималя с мантийными материалами в трех текучих фазах: твердые силикатные минералы, расплавленная силикатная магма и жидкий металл, — говорит ведущий автор статьи доктор Дзюн Коренага из Йельского университета.

Быстрая динамика такой трехфазной системы в сочетании с длительным перемешиванием, обеспечиваемым конвекцией в мантии, позволяет удерживать в мантии HSE от планетезималей.

В этом сценарии ударная волна врезается в Землю, образуя локальный океан жидкой магмы, в котором тяжелые металлы опускаются на дно. Когда металлы попадают в частично расплавленную область под ними, они быстро просачиваются сквозь расплав, после чего медленно опускаются на дно мантии. Во время этого процесса расплавленная мантия застывает, удерживая металл. В этот момент и возникает конвекция, поскольку тепло от ядра Земли вызывает очень медленное ползучее движение материалов в твердой мантии, а возникающие при этом течения переносят тепло из недр к поверхности планеты.

Под мантийной конвекцией понимается процесс подъема горячего материала мантии и опускания более холодного материала, — говорит Коренага.

Мантия почти полностью твердая, но в течение длительного геологического времени она ведет себя как вязкая жидкость, перемешивая и перераспределяя мантийные материалы, включая HSE, накопленные в результате крупных столкновений, произошедших миллиарды лет назад.