Massive Anomalie innerhalb der Erdmantel könnte Überbleibsel der Kollision sein, die den Mond gebildet hat.

1. November 2023

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von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Ein interdisziplinäres internationales Forschungsteam hat kürzlich entdeckt, dass eine massive Anomalie tief im Inneren der Erde möglicherweise ein Überrest der Kollision vor etwa 4,5 Milliarden Jahren ist, die den Mond geformt hat.

Diese Forschung bietet wichtige neue Erkenntnisse nicht nur über die interne Struktur der Erde, sondern auch über ihre langfristige Entwicklung und die Bildung des inneren Sonnensystems.

Die Studie, die auf den Methoden der rechnerischen Strömungsmechanik basierte, die von Prof. Deng Hongping von der Shanghaier Sternwarte (SHAO) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelt wurden, wurde am 2. November als Titelthema in Nature veröffentlicht.

Die Entstehung des Mondes ist seit mehreren Generationen von Wissenschaftlern ein hartnäckiges Rätsel. Die vorherrschende Theorie besagt, dass während der späten Phase des Wachstums der Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren eine massive Kollision, bekannt als der "gigantische Einschlag", zwischen der urzeitlichen Erde (Gaia) und einem Mars-großen Proto-Planeten namens Theia stattgefunden hat. Der Mond entstand angeblich aus den Trümmern, die durch diese Kollision entstanden sind.

Numerische Simulationen haben gezeigt, dass der Mond wahrscheinlich hauptsächlich Material von Theia geerbt hat, während Gaia aufgrund seiner viel größeren Masse nur geringfügig durch Material von Theia kontaminiert wurde.

Da Gaia und Theia relativ unabhängige Formationen waren und aus unterschiedlichen Materialien bestanden, legte die Theorie nahe, dass der Mond - der von Theien-Material dominiert wird - und die Erde - die von Gaia-Material dominiert wird - unterschiedliche Zusammensetzungen haben sollten. Hochpräzise Isotopenmessungen ergaben jedoch später, dass die Zusammensetzungen der Erde und des Mondes erstaunlich ähnlich sind, was die konventionelle Theorie der Mondentstehung in Frage stellt.

Obwohl verschiedene verfeinerte Modelle des gigantischen Einschlags anschließend vorgeschlagen wurden, hatten sie alle mit Herausforderungen zu kämpfen.

Um die Theorie der Mondentstehung weiter zu verfeinern, begann Prof. Deng im Jahr 2017 mit der Erforschung der Mondentstehung. Er konzentrierte sich darauf, eine neue Methode der rechnerischen Strömungsmechanik namens Meshless Finite Mass (MFM) zu entwickeln, die sich durch eine genaue Modellierung von Turbulenzen und Materialmischung auszeichnet.

Mit diesem neuartigen Ansatz und durch zahlreiche Simulationen des gigantischen Einschlags entdeckte Prof. Deng, dass die frühe Erde nach dem Einschlag eine Mantelschichtung aufwies, bei der der obere und der untere Mantel unterschiedliche Zusammensetzungen und Eigenschaften hatten. Insbesondere zeigte der obere Mantel einen Magmenozean, der durch eine gründliche Mischung von Material von Gaia und Theia entstand, während der untere Mantel weitgehend fest und unverändert in seiner Materialzusammensetzung von Gaia blieb.

"Die frühere Forschung hat übermäßigen Schwerpunkt auf die Struktur der Trümmerscheibe (dem Vorläufer des Mondes) gelegt und die Auswirkungen der gigantischen Kollision auf die frühe Erde vernachlässigt", sagte Deng.

Nach Gesprächen mit Geophysikern des Schweizerischen Federal Institute of Technology in Zürich erkannte Prof. Deng und seine Mitarbeiter, dass diese Mantelschichtung bis heute fortbestehen könnte und den globalen seismischen Reflektoren im mittleren Mantel entspricht (etwa 1.000 km unter der Erdoberfläche).

Genauer gesagt könnte der gesamte untere Erdmantel immer noch von vor dem Einschlag stammendem Gaia-Material dominiert werden, das eine andere chemische Zusammensetzung (einschließlich eines höheren Siliziumgehalts) als der obere Mantel aufweist, laut einer früheren Studie von Prof. Deng.

"Unsere Ergebnisse stellen die herkömmliche Vorstellung in Frage, dass der gigantische Einschlag zur Homogenisierung der frühen Erde geführt hat", sagte Prof. Deng. "Stattdessen scheint der mondformende gigantische Einschlag den Ursprung der Heterogenität des frühen Erdmantels zu markieren und den Ausgangspunkt für die geologische Entwicklung der Erde über einen Zeitraum von 4,5 Milliarden Jahren darzustellen."

Another example of Earth's mantle heterogeneity is two anomalous regions—called Large Low Velocity Provinces (LLVPs)—that stretch for thousands of kilometers at the base of the mantle. One is located beneath the African tectonic plate and the other under the Pacific tectonic plate. When seismic waves pass through these areas, wave velocity is significantly reduced.

LLVPs have significant implications for the evolution of the mantle, the separation and aggregation of supercontinents, and the Earth's tectonic plate structures. However, their origins have remained a mystery.

Dr. Yuan Qian from the California Institute of Technology, along with collaborators, proposed that LLVPs could have evolved from a small amount of Theian material that entered Gaia's lower mantle. They subsequently invited Prof. Deng to explore the distribution and state of Theian material in the deep Earth after the giant impact.

Through in-depth analysis of previous giant-impact simulations and by conducting higher-precision new simulations, the research team found that a significant amount of Theian mantle material, approximately 2% of Earth's mass, entered the lower mantle of Gaia.

Prof. Deng then invited computational astrophysicist Dr. Jacob Kegerreis to confirm this conclusion using traditional Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) methods.

The research team also calculated that this Theian mantle material, similar to lunar rocks, is enriched with iron, making it denser than the surrounding Gaian material. As a result, it rapidly sank to the bottom of the mantle and, over the course of long-term mantle convection, formed two prominent LLVP regions. These LLVPs have remained stable throughout 4.5 billion years of geological evolution.

Heterogeneity in the deep mantle, whether in the mid-mantle reflectors or the LLVPs at the base, suggests that the Earth's interior is far from a uniform and 'boring' system. In fact, small amounts of deep-seated heterogeneity can be brought to the surface by mantle plumes—cylindrical upwelling thermal currents caused by mantle convection—such as those that likely formed Hawaii and Iceland.

For example, geochemists studying isotope ratios of rare gases in samples of Icelandic basalt have discovered that these samples contain components different from typical surface materials. These components are remnants of heterogeneity in the deep mantle dating back more than 4.5 billion years and serve as keys to understanding Earth's initial state and even the formation of nearby planets.

According to Dr. Yuan, 'Through precise analysis of a wider range of rock samples, combined with more refined giant impact models and Earth evolution models, we can infer the material composition and orbital dynamics of the primordial Earth, Gaia, and Theia. This allows us to constrain the entire history of the formation of the inner solar system.'

Prof. Deng sees an even broader role for the current study. 'This research even provides inspiration for understanding the formation and habitability of exoplanets beyond our solar system.'

Journal information: Nature

Provided by Chinese Academy of Sciences