 |  |  |
V Zemljinem plašču, na globini 2900 kilometrov, se nahajata dve obsežni anomaliji. Pravijo jima veliki provinci nizkih hitrosti ali po angleško “large low-velocity provinces”. Gre za skalnati strukturi, ki sta gostejši in bolj vroči od magme v okolišnjem plašču.
Provinci so odkrili pred več kot štiridesetimi leti zahvaljujoč potresnemu valovanju. Njuna izredna velikost presega vse celine, zaradi česar je to odkritje temeljito spremenilo naše razumevanje notranjosti Zemlje, saj je do tedaj veljalo, da je Zemljin plašč precej homogena plast kamnin, katerih gostota in temperatura se spreminjata le z globino. Navdušenje znanstvenikov je bilo tolikšno, da so jima celo nadeli vzdevka. Medtem ko “Tuzo” leži globoko pod afriško celino, pa “Jason” počiva pod Tihim oceanom.
Čeprav nihče ne dvomo o velikem vplivu provinc na razvoj našega planeta, se znanstveniki ne morejo zediniti glede njunega izvora. Prevladujoči hipotezi predvidevata, da sta nastali kot posledica zemeljskih procesov. Vendar je nedavno skupina raziskovalcev predlagala povsem drugačno razlago. Po njihovem mnenju gre za ostanke tujega planeta, ki se je pred mnogimi milijoni let zaletel v Zemljo. Čeprav zveni neverjetno, so argumenti ameriških znanstvenikov še kako prepričljivi.
Rekonstrukcija Zemljine notranjosti. Z rdečo barvo sta označeni veliki provinci nizkih hitrosti. Vir: Yuan et al., 2023.
Pomen provinc
Danes se znanstveniki strinjajo, da sta provinci povzročili številne pojave na našem planetu. Dejstvo, da se nahajata na diametralno nasprotnih legah glede na Zemljino vrtilno os kaže na to, da sta igrali pomembno vlogo pri njeni orientaciji. Tako se, na primer, verjetno ravno zaradi provinc južni geografski pol danes nahaja na Antarktiki.
Provinci sta tudi vir vulkanske dejavnosti na območjih, kjer ognjenikov načeloma ne bi pričakovali. Večina njih, kot na primer tisti, ki sestavljajo Pacifiški ognjeni obroč, se nahaja na stičiščih tektonskih plošč. Obstajajo pa ognjeniki, ki se nahajajo daleč od teh stičišč. Znanstveniki že dolgo vedo, da v plašču pod njimi poteka intenzivna konvekcija staljenih kamnin oziroma magme. Ta pojav je podoben vretju v loncu, kjer se mehurčki vroče vode dvigajo do gladine, tam pa se voda ohladi ter znova potone. V primeru Zemljinega plašča se vroča magma dvigne vse do površja ustvarjajoč tako imenovane vroče točke in posledično ognjenike. Leta 2008 so znanstveniki ugotovili, da se vroče točke nahajajo neposredno nad robovi velikih provinc. Vse kaže, da gre ravno provincama zahvala za obstoj Havajskega otočja in da brez njiju ne bi obstajal tudi kitajski otok Hainan.
Izvor
Od odkritja pred štiridesetimi leti sta prevladali dve hipotezi o nastanku provinc. Po prvi sta se oblikovali postopoma z nalaganjem podrinjenih oceanskih tektonskih plošč. To je proces, ko trčita oceanska ter celinska tektonska plošča, in se oceanska skorja, ki je gostejša ter tanjša od celinske, upogne navzdol ter potone pod celinsko skorjo, kjer se stali in postane del tekočega plašča.
Po drugi razlagi naj bi provinci nastali v času, ko je bila Zemlja še vroča ter staljena in se je v plašču odvijal proces razslojevanja, pri čemer so gostejši kemični elementi ter spojine potonili globoko v notranjost planeta, medtem ko so se lažji obdržali bliže površja.
Toda, s tema razlagama so se kmalu pojavile težave. Obstajajo namreč dokazi za starodaven izvor kamnin, ki sestavljajo provinci. Do njih so se geologi dokopali z analizo kemične sestave plinov, ki jih te kamnine vsebujejo. Vse kaže na to, da gre za tako imenovane prvobitne pline, ki na Zemlji obstajajo že od vsega začetka, torej preden so se sploh pojavile tektonske plošče oziroma pred začetkom procesa razslojevanja.
Prvi kemični element, ki priča o starosti provinc, je helij. V naravi najdemo dva stabilna izotopa helija. Helij-3 (3He) je lažji, saj njegovo jedro sestavljajo dva protona in le en nevtron. Večinoma je nastal bodisi takoj po prapoku, v vročih zvezdnih jedrih ali med eksplozijami supernov. Izvor drugega stabilnega izotopa na Zemlji, helija-4 (4He), katerega težje jedro vsebuje dva protona in dva nevtrona, je skoraj izključno radiaktivni razpad izotopov urana-238 in 235 (238U, 235U) ter torija-232 (232Th).
Visoke koncentracije helija-4 v primerjavi s helijem-3 so značilne za magmatske kamnine v srednjeoceanskih hrbtih. Ti podvodni gorski sistemi nastajajo zaradi razširjanja morskega dna, ki je posledica razmikanja tektonskih plošč. Ta proces omogoči dvig magme iz plašča, ki se potem kot lava razlije po oceanskem dnu in ko se strdi, nastane nova Zemljina skorja. Čez nekaj deset milijonov let, ta skorja zaradi podrivanja ponovno potone v tekoči plašč. Razširjanje in podrivanje sta sestavni del tektonike plošč, ki se na našem planetu odvija že 3,4 milijarde let in povzroča nenehno obnavljanje oceanske skorje, ki je tako stara k večjemu okoli 200 milijonov let. Zavoljo večkratnega taljenja so te kamnine v preteklosti izgubile velike količine obeh izotopov. Za razliko od helija-3 pa se koncentracija helija-4 zaradi radioaktivnega razpada deloma obnavlja.
V lavi ognjenikov, povezanih z velikima provincama, je koncentracija helija-4 v primerjavi s helijem-3 nižja kot v srednjeoceanskih hrbtih. Ta razlika je posledica dejstva, da provinci nista bili izpostavljeni ponavljajočemu se taljenju, zaradi česar se v njiju koncentracija helija-3 ni bistveno spreminjala skozi čas. Podobno velja tudi druge žlahtne pline, kot so ksenon, neon ter argon.
Pogled na havajski ognjenik Mauna Kea iz vesolja. Vir: NASA.
Vrednosti koncentracije omenjenih izotopov iz provinc so zelo podobne ocenam vsebnosti v protoplanetarnem disku, ki je nekoč obkrožal Sonce in iz katerega so nastali planeti. Ameriški znanstveniki so zato odgovor na vprašanje izvora provinc iskali izven Zemlje. Pri tem so se oprli na hipotezo velikega trka, ki pravi, da je le sto milijonov let po nastanku Zemlje v njo treščilo planetarno telo v velikosti Marsa, imenovano Teja. Med trkom obeh planetov se je stalil ves zgornji sloj Zemljinega plašča. Hkrati se je stalil tudi ves Tejin plašč, pri čemer je del te snovi obstal v notranjosti Zemlje. Ko se je snov iz Tejinega plašča strdila, so nastali delci potonili v gobine, vse do zunanjega Zemljinega jedra.
Hipoteza velikega trka predvideva, da je del snovi iz Tejinega plašča odneslo v vesolje, kjer so se staljeni delci sčasoma zlili v ogromno gmoto, iz katere se je izoblikovala Luna.
Danes vemo, da več kot 10 % mase Luninega plašča predstavlja železov oksid (FeO), medtem ko je ta vrednost za Zemljin plašč le 8 %. Če je sestava Lune odraz sestave Teje, to pomeni, da sta bili koncentracija FeO v Tejinem plašču ter njegova gostota višji v primerjavi z Zemljinim plaščem. S tem lahko pojasnimo zakaj je izmerjena gostota velikih provinc višja od okolišnjega plašča.
Računalniška simulacija trka Teje in Zemlje. Vir: Kegerris et al., 2022.
Ameriški znanstveniki so z računalniškim modelom pokazali, da je omenjeni scenarij dejansko mogoč. Rezultati simulacije kažejo na to, bi se v primeru trka obeh teles snov iz Tejinega plašča zgostila v notranjosti našega planeta na način, ki je zelo podoben dejanskemu. Po izračunih naj bi ostanki Teje v Zemljinem plašču predstavljali med 1,7 % ter 2,6 % Zemljine mase, kar je primerljivo z ocenami dejanske mase provinc, ki znašajo med 1 % ter 6 % mase našega planeta.
Če se izkaže da sta provinci res izvenzemeljskega izvora, potem ne bomo le primorani ovreči uveljavljeni razlagi o njunem nastanku. V tem primeru sta provinci prva neposredna dokaza za teorijo velikega trka in predstavljata prelomno odkritje v razumevanju nastanka Zemlje. Potemtakem se nam najbližji tuji planet ne nahaja na razdalji več kot sto milijonov kilometrov, temveč leži le nekaj tisoč kilometrov pod našimi nogami.
Ne glede na to, katera hipoteza o nastanku velikih provinc se bo sčasoma izkazala za resnično, pa je že sedaj očiten pomen provinc ne le za poznavanje razvoja Zemlje, temveč tudi za poglobljeno razumevanje nastanka ostalih planetov v Osončju ter drugod v vesolju.
Nadaljna čtiva za najbolj radovedne
- Williams, C. D., Mukhopadhyay, S., Rudolph, M. L., & Romanowicz, B. (2019). Primitive helium is sourced from seismically slow regions in the lowermost mantle. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 20, 4130–4145. https://doi.org/10.1029/2019GC008437
- Mukhopadhyay, S. Early differentiation and volatile accretion recorded in deep-mantle neon and xenon. Nature 486, 101–104 (2012). https://doi.org/10.1038/nature11141
- Garnero, E., McNamara, A. & Shim, SH. Continent-sized anomalous zones with low seismic velocity at the base of Earth’s mantle. Nature Geosci 9, 481–489 (2016). https://doi.org/10.1038/ngeo2733
- Yuan, Q., Li, M., Desch, S.J. et al. Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies. Nature 623, 95–99 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06589-1
- Planetarna diferenciacija, Wikipedija, https://sl.wikipedia.org/wiki/Planetarna_diferenciacija
- Srednjeoceanski hrbet, Wikipedia, https://sl.wikipedia.org/wiki/Srednjeoceanski_hrbet
soncniblog.com 