Расширенный поток астероидных ударов сделал Землю слишком горячей для формирования континентов

Формирование континентов было важным этапом в истории Земли. Континенты и тектоника плит связаны с обитаемостью планеты, и то же самое справедливо для обитаемости других каменистых экзопланет. Понимание того, когда и как формировались континенты, а также какие факторы и процессы это определяли, является одной из главных целей планетарной науки.

Тектоника плит — это способ, которым Земля управляет своим климатом, удаляя углерод из атмосферы. Тектоника также поддерживает циклы питательных веществ, предотвращая блокировку критически важных питательных веществ, таких как фосфор, в горных породах, недоступных для жизни. Хотя ученые не могут быть уверены, они считают, что тектоника плит, вероятно, критически важна для жизни, и тектоника плит может начаться только после формирования стабильной континентальной коры.

После своего формирования Земля была океаном магмы без твердых поверхностей, поддерживаемых распадом радиогенных элементов. Этот период называется Хадейским эоном. В конечном итоге планета охладилась, и сформировалась стабильная, толстая континентальная кора. Новые исследования показывают, что толстый коровой материал не мог образоваться в Хадейский период, потому что непрерывный поток астероидных ударов делал кору слишком горячей. В то же время тепло генерировало больше материала, который позже образовал кремнийсодержащую кору.

Исследование опубликовано в журнале Science и называется "Ударное нагревание и скрытый Хадейский период". Главный автор — Тим Джонсон, профессор Школы Земли и планетарных наук Университета Кертин и Института передовых геонаучных решений Кертин.

"Природа коры Земли в Хадейский период [≥4,03 миллиарда лет назад] неясна," — пишут авторы. "Модели ранней Земли учитывают тепло, исходящее изнутри планеты, несмотря на доказательства интенсивного бомбардирования ударами и тепла, которое они приносили." В этой работе исследователи смоделировали поток тепла от ударов и показали, что он затмевал тепло, исходящее из внутренней части планеты. "Хадейская кора Земли была бы в значительной степени расплавленной на глубинах ниже нескольких километров, что вызвало бы гравитационную сегрегацию плотного материала, богатого железом и магнием, и привело бы к тому, что средние составы коры становились бы все более кремнийсодержащими," — пишут они.

Дифференциация — это когда магма каменистой планеты разделяется на слои с разной плотностью, а гравитационная сегрегация является частью этого процесса. На Земле железо и никель погрузились в ядро, где они генерируют магнитный щит Земли. Более легкие элементы поднялись, и они доминируют в коре Земли. Внутри коры этот процесс также создает так называемую фельзитовую породу, которая богата легкими элементами, такими как кремний, кислород и алюминий, и мафическую породу, более плотную породу, содержащую больше тяжелых элементов, таких как магний и железо. Фельзитовая порода — это легкая континентальная кора, в то время как мафическая порода — это более тяжелая океаническая кора.

Хадейский эон начался, когда Земля сформировалась около 4,6 миллиарда лет назад, и закончился примерно через 500 миллионов лет. Хадейский эон закончился, когда началось предполагаемое Позднее тяжелое бомбардирование. (Стоит отметить, что хотя ЛТБ является популярной концепцией, это все еще лишь гипотеза, и многие в научном сообществе оспаривают ее.)

Работа также показывает, что это ударное нагревание уменьшилось к 3,9 миллиарда лет назад, и именно тогда кора Земли утолщилась. Это совпадает с концом ЛТБ. Самые старые фрагменты континентальной коры, гнейс Акаста на севере Канады, датируются этим временем, что добавляет солидную поддержку этим результатам. "То, что устойчивая континентальная кора появилась примерно в это время, вероятно, не совпадение," — пишут авторы.

Когда мы смотрим на Землю сегодня, мы можем увидеть отдельные кратеры, датируемые десятками тысяч, даже миллионами лет. Это результат отдельных ударов, разделенных длительными интервалами времени. Но во время ЛТБ астероиды обрушивались на Землю в течение продолжительного периода. Это, вероятно, было вызвано миграцией гигантских планет Солнечной системы, что нарушило гравитационный порядок, который удерживал астероиды в линии.

"Существует искушение думать о крупных ударах как о кратковременных событиях, которые оставляют шрамы на поверхности планеты и затем проходят," — сказал профессор Джонсон в пресс-релизе. "Но ранняя Солнечная система была полна столкновений, и Луна сохраняет эту историю на виду. Эти удары несли огромные количества энергии, и эта энергия должна была куда-то уйти."

"Дополнительное тепло от ударов, вероятно, удерживало большую часть ранней коры слабой и частично расплавленной, что затрудняло выживание горных пород," — сказал Джонсон. "В то же время эти условия помогли бы произвести больше кремнийсодержащей коры, которая позже стала основой континентов."

Повторяющиеся удары несли кинетическую энергию, которая преобразовывалась в тепло, генерируя магму, которая удерживала раннюю кору Земли от затвердевания и становления стабильной.

Эти панели являются снимками моделей в исследовании. Они показывают мантию Земли в Хадейский период 4,1 миллиарда лет назад. (A) показывает только радиогенное нагревание, тепло от распада элементов внутри Земли. (B) добавляет ударное нагревание для мантии и коры. (C) показывает динамическое ударное нагревание через 0,175 миллиона лет после крупного удара. (D) показывает то же самое, что и (C), но через 35 миллионов лет после удара. Кредит изображения: Джонсон и др. 2026. Science

"На ранней Земле большая часть этой энергии, вероятно, была передана в мантию Земли, толстый слой сразу под корой, в виде тепла," — сказал соавтор профессор Крейг О'Нил из Технологического университета Квинсленда. "Это вызвало бы подъем и плавление мантии под и вокруг места удара, производя большие объемы магмы.

"Наши результаты предполагают, что ранняя кора была тонкой и нестабильной большую часть Хадейского периода, а не миром с сильными плитами, действующими привычным современным образом," — добавил О'Нил. "Вместо этого удары помогли бы удерживать кору горячей, слабой и подвижной, способствуя плавлению и переработке на планетарном уровне в течение десятков и сотен миллионов лет после первоначального столкновения."

"Наши результаты, основанные на консервативной оценке соответствующих переменных, показывают, что тепло, связанное с ударами на ранней Земле, значительно превышало внутренний тепловой бюджет на протяжении всего Хадейского периода, так что кора была бы частично расплавленной на глубинах ниже нескольких километров," — объясняют исследователи в своей статье. Тектоника плит не может происходить, пока кора не утолщится и не станет стабильной. Кора должна быть способна субдукцироваться как "полу-согласный слой," — пишут авторы, и это не могло произойти из-за всего ударного нагревания.

"Наши выводы показывают, что такое поведение невозможно в Хадейский и ранний Архейский периоды," — пишут они. "Примечательно, что наши результаты предоставляют четкое объяснение почти полного отсутствия геологических записей Хадейского периода."

После примерно 3,9 миллиарда лет назад скорость ударов уменьшилась. Кора затем смогла охладиться и затвердеть на глубину около 30 км.

"То, что фельзитовые породы, которые доминируют в древних ядрах континентов, начали появляться в то же время, кажется маловероятным совпадением," — заключают они.