Когда наша планета только формировалась из первичного вещества Солнечной системы, ее недра начали интенсивно разогреваться и расслаиваться. Внутри образовалось металлическое ядро, а над ним — жидкая мантия, покрытая тонкой силикатной корой. До сих пор нет единого мнения, как затвердевал расплав — сверху вниз или наоборот. Новые расчеты показали, что это не важно: даже при самом неблагоприятном сценарии на последнем этапе остывания у границы ядра и мантии должен появиться магматический океан.
Внутреннее строение Земли / © Kay Lancaster, University of Liverpool
Считается практически доказанным, что в процессе формирования планеты земного типа прошли этап глобального магматического океана. О его существовании в первые 100 миллионов лет истории Земли свидетельствовали изотопные аномалии магматических пород и анализ включений благородных газов в вулканических породах.
Процесс застывания глобального мантийного океана отразился в геологической истории планеты. Об этом свидетельствуют ранние признаки расслоения силикатов, а также обширные провинции в нижней мантии с низкой скоростью сдвиговых волн и небольшие зоны сверхнизких скоростей.
Геохимические и сейсмические наблюдения показали, что последние остатки магматического океана должны были залегать глубоко в недрах, выше границы ядра и мантии. Однако этому противоречит классическая модель магматических океанов, при которой остывание шло снизу, а по мере кристаллизации расплава твердая фракция росла снизу вверх. По альтернативному сценарию, остывание началось в середине мантии, разделив океан. Верхняя часть кристаллизовалась быстрее из-за эффективного остывания с поверхности, а нижняя — медленнее, выталкивая остатки расплава к границе с ядром.
На образование твердой мантии влияли термодинамические свойства расплава, главным образом — то, где происходило выделение твердой фазы и где накапливались твердая и жидкая фазы. Так же важно, насколько эффективно разделялись обе фазы. Если твердые кристаллы отделились от расплава, то в застывшей мантии будут видны химические неоднородности. В противном случае она застынет как единое целое.
Поздним стадиям застывания магматического океана, когда доля твердых кристаллов значительна, уделяли меньше внимания. Восполнить пробел решили исследователи из Франции и Канады. Их статья об этом опубликована в журнале Nature.
Авторы применили новый геодинамический подход к вязкой среде в сочетании с кодом Бомбари. Эта программа для моделирования процессов в мантии Земли, особенно связанных с глубинными аномалиями сейсмических волн.
Моделирование показало, что базальный магматический океан образовался у границы ядра и мантии в процессе накопления твердой, богатой FeO, фазы и жидкой. При этом кристаллы FeO легче переправлялись, а богатый FeO расплав, будучи плотнее, тонул. На последней стадии застывания удалось получить структуры, сходные с наблюдаемыми сейсмическими аномалиями в нижней мантии.
Ученые рассмотрели наихудшие условия для образования базального магматического океана. Даже в этом случае на последней стадии, когда магма превратилась в густую кашу из кристаллов и остаточного расплава, он неизбежно возникает. Похоже, это типичный сценарий для Земли и подобных ей планет. Теперь эволюция магматического океана представляется гораздо более сложной, и это нужно учитывать в последующих моделях.
