Источником редкоземельных металлов на Земле назвали ядра крупных зародышей планет

Геофизики выяснили, что сидерофильные элементы, такие как редкоземельные металлы, золото или платина, могли попасть на Землю во время длительного периода бомбардировки Земли крупными планетезималями, возникшими после образования Луны. Кроме того, такая бомбардировка обеспечила больший прирост массы планеты, чем считалось ранее. Научная статья опубликована в журнале Nature Geoscience.

Наиболее общепринятой на сегодняшний день считается модель ударного формирования Луны (модель мегаимпакта), по которой спутник Земли образовался 4,5 миллиарда лет назад из-за столкновения прото-Земли с гипотетическим объектом Тейей, размером более 6000 километров в диаметре. При этом значительная часть вещества была выброшена на орбиту, где позднее, под действием гравитационного притяжения, образовалась Луна. Эта гипотеза имеет подтверждения, однако есть и альтернативные версии. 

После столкновения с Тейей Земля подверглась длительной бомбардировке оставшимися планетезималями. При этом прирост массы нашей планеты на этом этапе «поздней аккреции» оценивается примерно в 0,5 процентов от массы Земли. Эта оценка основана на концентрациях сидерофильных химических элементов (имеющих химическое сродство к железу) в земной мантии и предположении, что все эти элементы равномерно распределились и остались в мантии после столкновений. Это может быть справедливо для недифференцированных или небольших дифференцированных по структуре и составу тел, участвовавших в бомбардировке. Однако, есть предположения, что на этапе «поздней аккреции» в бомбардировке Земли могли в основном участвовать крупные (от 1500 до 3000 километров в диаметре) дифференцированные по составу планетезимали, в которых сидерофильные элементы были сосредоточены в ядре. 

Группа геофизиков под руководством Симоне Марчи (Simone Marchi) решила промоделировать процесс «поздней аккреции» с участием крупных тел при помощи вычислительной методики SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). В модели наша планета бомбардировалась телами с массами в диапазоне от 0,001 до 0,03 масс Земли, что соответствует диаметрам тел от 1400 до 4400 километров при плотности около 4000 кг/м³. Планетезимали состояли из силикатной мантии (70 процентов массы) и железного ядра (30 процентов массы), что соответствует среднему соотношению силикатов к металлу в составе планет земной группы. Рассматривались различные случаи углов соударения и скорости, с которыми двигались налетающие тела.

Было определено, что часть вещества налетающего тела может быть выброшена прочь или испарена, в дальнейшем оно могло осесть на поверхности прото-Земли. Часть материала ядра планетезимали, находящейся далеко от места соударения, при столкновении остается в связанном виде, может размягчиться, но не испаряется. Крупные участки разрушенного ядра могут проникнуть глубоко в земную мантию, добравшись до ядра. Предполагается, что в этом случае прирост массы, обеспеченный крупными планетезималями, может быть больше примерно в два-пять раз больше по сравнению со стандартными оценками —  от 0,01 до 0,03 массы Земли. 

Кроме того, столкновения с такими крупными объектами могут приводить к возникновению неоднородностей в химическом и изотопном составах мантии Земли. Если такие неоднородности существенны и если дальнейшее перемешивание мантии будет достаточно медленным или неполным, то, в конечном итоге, эти неоднородности будут «вписаны» в состав горных пород и проявят себя как области с аномальными концентрациями некоторых химических элементов в глубоких слоях мантии. Например, это проявляется в избытке (положительная аномалия) изотопа вольфрама ¹⁸²W по отношению к изотопу ¹⁸⁴W в некоторых земных мантийных породах, таких как супракрустальные породы из формации Исуа в Гренландии, или в отрицательной аномалии в коматиитах или океанических базальтах. Если наблюдаемые аномалии содержания изотопа ¹⁸²W действительно являются результатом «поздней аккреции», то их изучение может дать ограничения на размеры и продолжительность этого периода эволюции ранней Земли. 

Ранее мы рассказывали о том, почему Землю после столкновения с Тейей сравнили с гигантским «пончиком», как рождение Луны «перевернуло» нашу планету и как землетрясения Сан-Андреас связали с циклами Луны и Солнца.

Александр Войтюк