Учёные давно задавались вопросом, почему общий состав Земли не полностью соответствует составу материалов, обнаруженному в древних метеоритах. Одна из гипотез заключается в том, что наша прото-Земля (то, что называют самыми ранними стадиями развития Земли, до образования Луны) собрала иной материал, чем после гигантского удара, в результате которого образовалась Луна.
Чтобы исследовать эту идею, учёные Массачусетского технологического института и других институтов тщательно измерили содержание калия-40 и других изотопов калия в породах из глубин Земли, относящихся к разным периодам её истории. Для этого они использовали высокоточный метод, называемый термоионизационной масс-спектрометрией.
В первой главе долгой истории нашей планеты Земля была раскаленным, каменистым миром, кипящим лавой. Затем произошло гигантское столкновение: объект размером с Марс врезался в молодое небесное тело. Удар был настолько сильным, что расплавил внутреннюю часть планеты и изменил её химический состав. Долгое время учёные считали, что это гигантское столкновение стёрло все следы того, из чего изначально состояла Земля.
Но новое исследование Массачусетского технологического института говорит об обратном. Учёные обнаружили уникальный химический след в древних породах. Эта необычная смесь изотопов калия отличается от большинства современных земных материалов. Ни крупные космические столкновения, ни современная геология Земли не могут объяснить этот дисбаланс, поскольку он может быть остатком с ранних этапов существования планеты, который каким-то образом пережил гигантское столкновение, изменившее всё остальное.
Николь Ни из Массачусетского технологического института говорит: «Возможно, это первое прямое доказательство того, что мы сохранили протоземельные материалы. Мы видим фрагмент очень древней Земли, существовавшей ещё до гигантского столкновения. Это удивительно, поскольку можно было бы ожидать, что эти очень ранние следы постепенно стираются в ходе эволюции Земли».
В 2023 году Ни и её команда изучали метеориты со всего мира. Эти космические камни образовались давным-давно в разных частях Солнечной системы, поэтому они несут в себе подсказки о том, как Солнечная система менялась с течением времени. Изучая химический состав этих метеоритов, учёные обнаружили нечто необычное в калии, распространённом элементе. Калий бывает трёх видов, называемых изотопами: 39, 40 и 41. На Земле мы чаще всего встречаем калий-39 и калий-41. Калий-40 встречается очень редко.
Однако в метеоритах состав изотопов калия был иным. Эта «калиевая аномалия» предполагает, что метеориты содержат материал, существовавший до того, как Земля приобрела современный вид, возможно, из ранней протоземли, до того, как гигантский удар изменил её химический состав.
«В ходе этой работы мы обнаружили, что разные метеориты имеют разные изотопные сигнатуры калия, и это означает, что калий можно использовать в качестве индикатора строительных блоков Земли», — объясняет Ни.
Текущее исследование было направлено на поиск признаков подобных калиевых аномалий в Земле. Образцы включали в себя основные архейские породы, полученные из хадейско-эоархейской мантии (включая образцы с Исуа, Нуввуагиттука и кратона Каапвааль), а также некоторые современные базальты океанических островов (с острова Реюньон и вулкана Камаэуаканалоа, Гавайи).
Учёные начали с растворения порошкообразных образцов горных пород в кислоте. Затем они отделили калий и с помощью специального масс-спектрометра измерили содержание каждого изотопа. Ученые обнаружили, что в образцах горных пород содержание калия-40 было даже ниже обычного. На Земле калий-40 и так встречается редко по сравнению с другими видами калия, но в этих древних породах его было ещё меньше – всё равно что заметить одну коричневую песчинку в ведре, полном жёлтых.
Итак, главный вопрос: могут ли эти камни быть фрагментами прото-Земли? Исследователи считают это возможным. Они полагают, что прото-Земля могла зародиться из материала с низким содержанием калия-40. Но после мощного удара и множества более мелких метеоритов большая часть этого исходного материала химически перестроилась, оставив после себя богатую калием Землю, которую мы знаем сегодня.
Команда собрала данные о составе всех известных метеоритов и провела моделирование, чтобы увидеть, как уровень калия-40 на Земле мог меняться с течением времени. Они смоделировали, что произойдет после крупных столкновений и длительных геологических процессов, таких как нагревание и перемешивание в глубинах Земли. Ученые обнаружили, что столкновения и естественные изменения на Земле с течением времени немного увеличат содержание калия-40, подобно тому, что мы наблюдаем в большинстве современных горных пород. Именно поэтому древние образцы из Канады, Гренландии и Гавайев, содержащие еще меньше калия-40, уникальны. Возможно, они представляют собой редкие остатки Земли с ее ранних времен, не затронутые последующими изменениями.
Исследование предполагает, что породы с более низким, чем обычно, содержанием калия-40 могут быть древними остатками прото-Земли.
Интересно, что химический состав этих образцов древней Земли не совпадает в точности ни с одним из известных метеоритов. В некоторых метеоритах действительно наблюдается необычное распределение калия, но ни в одном из них не наблюдается дефицит калия-40, подобный дефициту, обнаруженному в этих предполагаемых протоземельных породах.
По словам Ни, «ученые пытались понять изначальный химический состав Земли, объединяя составы различных групп метеоритов. Но наше исследование показывает, что текущий список метеоритов не полон, и многое еще предстоит узнать о происхождении нашей планеты».
Исследование опубликовано в журнале Nature Geoscience .
