Вчені довели неминучість глибинного магматичного океану Землі

Коли наша планета лише формувалася з первинної речовини Сонячної системи, її надра почали інтенсивно розігріватися та розшаровуватись. Усередині утворилося металеве ядро, а над ним — рідка мантія, вкрита тонкою корою силікатною. Досі немає єдиної думки, як твердів розплав — зверху донизу чи навпаки. Нові розрахунки показали, що це не важливо: навіть за найнесприятливішого сценарію на останньому етапі охолодження біля кордону ядра і мантії має з’явитися магматичний океан.

Вважається практично доведеним, що у процесі формування планети земного типу пройшли етап глобального магматичного океану. Про його існування у перші 100 мільйонів років історії Землі свідчили ізотопні аномалії магматичних порід та аналіз включень шляхетних газів у вулканічних породах. Процес застигання глобального мантійного океану позначився геологічної історії планети. Про це свідчать ранні ознаки розшарування силікатів, а також великі провінції в нижній мантії з низькою швидкістю хвиль зсуву і невеликі зони наднизьких швидкостей.

Геохімічні та сейсмічні спостереження показали, що останні залишки магматичного океану повинні були залягати глибоко в надрах, вищі за межі ядра та мантії. Проте цьому суперечить класична модель магматичних океанів, коли він охолодження йшло знизу, а в міру кристалізації розплаву тверда фракція зростала знизу вгору. За альтернативним сценарієм, остигання почалося в середині мантії, розділивши океан. Верхня частина кристалізувалася швидше через ефективне остигання з поверхні, а нижня — повільніше, виштовхуючи залишки розплаву до кордону з ядром.

На утворення твердої мантії впливали термодинамічні властивості розплаву, головним чином те, де відбувалося виділення твердої фази і де накопичувалися тверда і рідка фази. Також важливо, наскільки ефективно розділялися обидві фази. Якщо тверді кристали відокремилися від розплаву, то в застиглій мантії буде видно хімічні неоднорідності. В іншому випадку вона застигне як єдине ціле.

Пізнім стадіям застигання магматичного океану, коли частка твердих кристалів значна, приділяли менше уваги. Заповнити прогалину вирішили дослідники з Франції та Канади. Їхня стаття про це опублікована в журналі Nature. Автори застосували новий геодинамічний підхід до в’язкого середовища у поєднанні з кодом Бомбарі. Ця програма для моделювання процесів у мантії Землі, особливо пов’язаних із глибинними аномаліями сейсмічних хвиль.

Моделювання показало, що базальний магматичний океан утворився біля межі ядра та мантії в процесі накопичення твердої, багатої FeO, фази та рідкої. При цьому кристали FeO легше переправлялися, а багатий FeO розплав, щільніше, тонув. На останній стадії застигання вдалося отримати структури, подібні до спостережуваних сейсмічними аномаліями в нижній мантії.

Вчені розглянули найгірші умови освіти базального магматичного океану. Навіть у цьому випадку на останній стадії, коли магма перетворилася на густу кашу з кристалів та залишкового розплаву, він неминуче виникає. Схоже, це типовий сценарій для Землі та подібних до неї планет. Тепер еволюція магматичного океану є набагато складнішою, і це потрібно враховувати в наступних моделях.