Один из самых неприятных вопросов геологии звучит почти по-айтишному: почему система запустилась только через полмиллиарда лет после деплоя? Земле около 4,5 млрд лет, а первые известные континентальные породы появляются лишь примерно 4 млрд лет назад. Новая работа предлагает жесткий, но логичный ответ: ранняя кора Земли могла оставаться слишком горячей не только из-за внутренних процессов, но и из-за тысяч ударов крупных астероидов.
Именно такую версию, как пишет Ars Technica, продвигает геолог Тим Джонсон из австралийского Curtin University вместе с коллегами. По их модели, в гадее — это первые 500 млн лет истории Земли — планету накрывал настолько плотный поток космических тел, что энергия ударов на протяжении сотен миллионов лет поддерживала кору тонкой, частично расплавленной и непригодной для нормальной тектоники плит. Если гипотеза выдержит проверку, то континенты появились не вопреки космической бомбардировке, а во многом благодаря ей.
Проблема в том, что прямых данных о той эпохе почти нет. Самые древние породы континентального типа датируют примерно 4,03 млрд лет, отдельные базальтовые породы — около 4,2 млрд лет, а самые старые цирконы уходят к отметке 4,4 млрд. Дальше запись истории почти обрывается: тектоника плит за миллиарды лет переработала раннюю поверхность Земли обратно в мантию. Поэтому спор о происхождении континентов долго держался на двух основных сценариях. Первый: тектоника плит работала уже в гадее, а континентальная кора формировалась над зонами субдукции, как это происходит и сейчас. Второй: Земля тогда была слишком горячей для жестких плит, и кору создавали мантийные плюмы — восходящие потоки вещества из глубин планеты.
У обоих объяснений был один неприятный дефект: тепловой баланс не сходился. По словам Джонсона, в моделях ранней Земли обычно учитывали остаточное тепло от аккреции, формирование ядра и распад радиоактивных изотопов, считая их главными источниками энергии. Но этого оказывалось недостаточно, чтобы получить нужные условия для массового плавления коры. Команда предлагает добавить в уравнение то, что раньше недооценивали: внешнюю энергию от падений астероидов и метеоритов, когда Солнечная система еще только приходила в порядок и обломков вокруг было заметно больше, чем сейчас.
Дальше исследователи пошли через Луну. У Земли древние ударные следы почти стерты, а у Луны — наоборот: нет тектоники плит, поэтому ее кора сохранила плотную сетку кратеров. Сопоставив количество кратеров с датировками лунных образцов, команда оценила частоту крупных столкновений в ранней внутренней части Солнечной системы, а затем масштабировала этот поток на Землю с ее большей массой и более сильной гравитацией. Итог получился неприятно конкретный: по расчетам, нашу планету должны были поразить тысячи тел диаметром свыше 10 км. Кинетическая энергия таких ударов не ограничивается кратером на поверхности. Значительная часть уходит в верхнюю мантию, нагревая ее и поддерживая дополнительное плавление и базальтовый вулканизм не часы и не дни, а десятки и даже сотни миллионов лет.
В цифрах картина выходит еще интереснее. По модели Джонсона, в большую часть гадея нагрев от ударов превышал радиогенное тепло и тепло от ядра примерно на порядок. Из этого следовало, что ранняя кора Земли была очень тонкой — менее 5 км — и уже на глубине 2-3 км под ней начиналось масштабное частичное плавление. На глубине около 5 км доля расплава превышала 30% по объему, а это уже плохо совместимо с представлением о жесткой литосфере, которая может двигаться цельными плитами. Иначе говоря, в такой конфигурации субдукция и тектоника плит работают примерно так же хорошо, как файловая система на расплавленном SSD.
Отсюда у команды возникает сразу несколько следствий. Во-первых, ранняя земная кора могла регулярно проваливаться обратно в мантию: локальные эффекты крупных ударов в моделях приводят к переработке материала на глубины не менее 600 км. Это удобно объясняет, почему от гадея почти ничего не осталось. Во-вторых, становится понятнее, почему в древнейших цирконах почти нет следов ударной деформации. Если приповерхностные слои были насыщены расплавом, ударные волны могли просто гаситься и рассеиваться, не оставляя характерного «шока» в кристаллах, которые пережили ту эпоху.
Переломный момент, по расчетам, наступил между 3,9 и 3,5 млрд лет назад, когда поток ударов заметно ослаб. После этого уже внутренние источники тепла стали доминировать, верхняя мантия начала остывать, а кора — утолщаться. К началу архея ее мощность могла дойти примерно до 30 км. Вот в таких условиях наконец появляется более жесткая литосфера, с которой уже можно обсуждать тектонику плит и устойчивое формирование континентов. И это хорошо совпадает с геологической летописью: именно около 4 млрд лет назад фиксируются первые континентальные породы.
Для IT-аудитории здесь любопытен не только сам сюжет про астероиды, но и метод. Когда данных мало, исследование все сильнее похоже на инженерную задачу: берется неполная телеметрия, добавляется внешняя переменная, после чего проверяется, становится ли модель физически непротиворечивой. Это не «доказательство в последней инстанции», и сами авторы этого не скрывают. Их аргумент опирается прежде всего на моделирование, а не на роскошную коллекцию древних пород. Но в дисциплине, где исходные логи почти полностью затерты, такой подход уже не выглядит компромиссом, а становится рабочим способом вообще двигаться дальше.
Теперь главный вопрос не в том, была ли ранняя Земля горячей — в этом мало кто сомневается, — а в том, сколько именно этого жара пришло извне и удастся ли найти новые породы, которые поддержат или опровергнут расчеты. Джонсон упоминает, что в канадском поясе Нуввуагиттук уже датировали мафическую породу возрастом около 4,2 млрд лет. Если подобных находок станет больше, спор о том, как именно возникли континенты, наконец выйдет из режима красивых гипотез в режим проверки по данным. Подробности пересказа исследования доступны в .