Исследователи рассказали, как быстро застывал древний магматический океан


Фото из открытых источников
В начале формирования Земли океан магмы покрывал поверхность планеты и простирался на тысячи миль вглубь ее ядра. Скорость, с которой охлаждался этот «океан магмы», повлияла на формирование отчетливых слоев внутри планеты и химический состав этих слоев.
 
Предыдущие исследования подсчитали, что этому магматическому океану потребовались сотни миллионов лет, чтобы затвердеть, но новое исследование Университета штата Флорида, опубликованное в Nature Communications, сужает эти большие неопределенности до менее чем пары миллионов лет.
 
«Этот магматический океан был важной частью истории Земли, и это исследование помогает нам ответить на некоторые фундаментальные вопросы о планете», — сказал Майнак Мукерджи, доцент кафедры геологии Департамента наук о Земле, океане и атмосфере.
 
Когда магма остывает, она образует кристаллы. Где окажутся эти кристаллы, зависит от вязкости магмы и относительной плотности кристаллов. Более плотные кристаллы, скорее всего, утонут и, таким образом, изменят состав оставшейся магмы. Скорость затвердевания магмы зависит от ее вязкости. Менее вязкая магма приведет к более быстрому охлаждению, тогда как магматическому океану с более густой консистенцией потребуется больше времени для охлаждения.
 
Как и это исследование, предыдущие исследования использовали фундаментальные принципы физики и химии для моделирования высоких давлений и температур в недрах Земли. Ученые также используют эксперименты для моделирования этих экстремальных условий. Но эти эксперименты ограничены более низкими давлениями, которые существуют на более мелких глубинах внутри Земли. Они не полностью отражают сценарий, существовавший в ранней истории планеты, когда магматический океан простирался до глубин, где давление, вероятно, было в три раза выше, чем то, что могут воспроизвести эксперименты.
 
Чтобы преодолеть эти ограничения, Мукерджи и его сотрудники провели моделирование в течение шести месяцев на высокопроизводительном вычислительном объекте в бывшем СССР, а также на вычислительном объекте Национального научного фонда. Это устранило большую часть статистических неопределенностей в предыдущей работе.
 
«Земля — большая планета, поэтому на глубине давление, вероятно, будет очень высоким. Даже если мы знаем вязкость магмы на поверхности, это не говорит нам о вязкости в сотнях километров под ней. Найти это очень сложно», - объясняют ученые.
 
Исследование также помогает объяснить химическое разнообразие, обнаруженное в нижней мантии Земли. Образцы лавы (название магмы после того, как она прорвалась через поверхность Земли) из горных хребтов на дне океана и с вулканических островов, таких как Гавайи и Исландия, кристаллизуются в базальтовую породу с похожим внешним видом, но отличающимся химическим составом. долгое время ставило в тупик земных ученых.
 
«Почему у них есть отчетливая химия или химические сигналы?» — сказал Мукерджи. «Поскольку магма возникает из-под поверхности Земли, это означает, что источник магмы там имеет химическое разнообразие. Как вообще возникло это химическое разнообразие и как оно сохранилось в течение геологического времени?»
 
Исходная точка химического разнообразия в мантии может быть успешно объяснена магматическим океаном в ранней истории Земли с низкой вязкостью. Менее вязкая магма привела к быстрому разделению взвешенных в ней кристаллов, процесс, который часто называют фракционной кристаллизацией. Это создало смесь различных химических веществ в магме, а не однородный состав.