Gumpalan aneh di dalam mantel adalah sisa-sisa planet purba

Sebuah studi yang dilakukan oleh California Institute of Technology menunjukkan bahwa dua struktur masif kaya zat besi jauh di dalam mantel bumi adalah sisa-sisa Theia, sebuah planet kuno yang bertabrakan dengan Bumi, yang juga menciptakan Bulan. Penemuan ini menjawab pertanyaan lama tentang asal usul Bulan dan nasib Theia.

Pada tahun 1980-an, ahli geofisika membuat penemuan yang mengejutkan: dua gumpalan material yang tidak biasa seukuran benua telah ditemukan jauh di dalam pusat bumi, satu di bawah benua Afrika dan satu lagi di bawah Samudera Pasifik. Setiap titik berukuran sekitar dua kali ukuran Bulan dan kemungkinan besar terdiri dari proporsi elemen yang berbeda dibandingkan dengan mantel di sekitarnya.

Aset daerah yang besar dan berkecepatan rendah

Dari manakah gumpalan aneh ini – yang secara resmi dikenal sebagai Large Low-Velocity Provinces (LLVPs) – berasal? Sebuah studi baru yang dilakukan oleh para peneliti dari California Institute of Technology menunjukkan bahwa mereka adalah sisa-sisa planet kuno yang bertabrakan dengan Bumi miliaran tahun yang lalu dalam dampak raksasa yang sama yang memunculkan Bulan kita.

Studi ini dipublikasikan di jurnal alam Pada tanggal 1 November, ia juga mengusulkan jawaban atas misteri lain dalam ilmu planet. Para peneliti telah lama berasumsi bahwa Bulan tercipta setelah tabrakan raksasa antara Bumi dan planet kecil bernama Theia, namun tidak ada jejak Theia yang ditemukan di sabuk asteroid atau meteorit. Studi baru ini menunjukkan bahwa sebagian besar Theia diserap ke dalam Bumi muda, membentuk LLVP, sementara puing-puing yang tersisa dari tabrakan tersebut diserap ke dalam Bulan.

Visualisasi Bumi dengan “gumpalan” besar materi padat di dekat inti Bumi. Poin-poin ini ditemukan pada tahun 1980an. Kini, para peneliti berpendapat bahwa itu sebenarnya adalah sisa-sisa planet kuno, Theia, yang bertabrakan dengan Bumi untuk membentuk Bulan. Kredit: Edward Garnero

Metodologi dan hasil penelitian

Penelitian ini diarahkan oleh Qian Yuan, rekan peneliti pascadoktoral Oakey Earle di laboratorium Paul Asimo (MS ’93, PhD ’97), Profesor Geologi dan Geokimia Eleanor dan John R. MacMillan; dan Michael Jorness, Profesor Geofisika John E. dan Hazel S. Smits dan Ketua Kepemimpinan Clarence R. Allen, direktur Laboratorium Seismik Caltech, dan direktur Akademi Rekayasa Perangkat Lunak Schmidt di Caltech.

Para ilmuwan pertama kali menemukan LLVP dengan mengukur gelombang seismik yang melintasi Bumi. Gelombang seismik merambat dengan kecepatan berbeda melalui material berbeda, dan pada tahun 1980-an, petunjuk pertama muncul mengenai variasi tiga dimensi berskala besar jauh di dalam struktur bumi. Di mantel yang lebih dalam, pola gelombang seismik didominasi oleh dua struktur besar di dekat inti bumi yang diyakini para peneliti memiliki kadar besi yang sangat tinggi. Kandungan besi yang tinggi ini berarti wilayah tersebut lebih padat dibandingkan wilayah sekitarnya, sehingga menyebabkan gelombang seismik yang melewatinya melambat, sehingga dinamakan “provinsi besar dengan kecepatan rendah”.

Yuan, seorang ahli geofisika terlatih, menghadiri simposium tentang pembentukan planet yang diberikan oleh Mikhail Zolotov, seorang profesor di Arizona State University, pada tahun 2019. Zolotov mempresentasikan hipotesis tumbukan raksasa, sementara Qian menunjukkan bahwa bulan relatif kaya akan zat besi. Zolotov menambahkan, tidak ditemukan jejak kendaraan yang dipastikan bertabrakan dengan tanah.

“Tepat setelah Michael mengatakan bahwa tidak ada yang tahu di mana objek tumbukan berada sekarang, saya mengalami ‘momen eureka’ dan menyadari bahwa objek tumbukan yang kaya akan zat besi tersebut bisa saja berubah menjadi gumpalan mantel,” kata Yuan.

Simulasi detail dampak Theia dengan Bumi. Meskipun dampaknya dahsyat, dampaknya tidak cukup kuat untuk melelehkan mantel bawah bumi, yang berarti sisa-sisa Theia bisa saja terawetkan, dan tidak tercampur secara homogen dengan material bumi. Kredit: Hong Bing Ding

Yuan bekerja dengan kolaborator lintas disiplin untuk memodelkan skenario berbeda untuk komposisi kimia Theia dan dampaknya terhadap Bumi. Simulasi mengkonfirmasi bahwa tabrakan fisik dapat mengarah pada pembentukan LLVP dan Bulan. Ada kemungkinan bahwa sebagian mantel Theia tergabung ke dalam mantel bumi, di mana ia akhirnya menyatu dan mengkristal untuk membentuk dua gumpalan berbeda yang dapat dideteksi saat ini di batas inti mantel; Puing-puing lain dari tabrakan tersebut bercampur membentuk Bulan.

Implikasi dan penelitian masa depan

Mengingat dampak kekerasan ini, mengapa material Theia terkumpul di dua tempat berbeda dan bukannya bercampur dengan sisa planet pembentuknya? Simulasi para peneliti menunjukkan bahwa sebagian besar energi dari dampak Theia tetap berada di bagian atas mantel, sehingga menyebabkan mantel bawah bumi lebih dingin dibandingkan perkiraan model dampak resolusi rendah sebelumnya. Karena lapisan bawah mantel tidak sepenuhnya meleleh akibat tumbukan tersebut, gumpalan material kaya besi dari Theia sebagian besar tetap utuh saat tersaring ke dasar mantel, seperti gumpalan lilin parafin berwarna-warni di dalam lampu lava yang padam. Jika mantel bawah lebih panas (yaitu, menerima lebih banyak energi dari tumbukan), maka mantel tersebut akan tercampur lebih baik dengan material yang kaya akan zat besi, seperti warna dalam pot cat.

Langkah selanjutnya adalah mempelajari bagaimana kehadiran awal material heterogen Theia jauh di dalam bumi mempengaruhi proses internal planet kita, seperti lempeng tektonik.

“Konsekuensi logis dari gagasan bahwa LLVP adalah sisa-sisa Theia adalah bahwa mereka sangat kuno,” kata Asimov. “Jadi masuk akal untuk mempelajari konsekuensi yang ditimbulkannya terhadap evolusi awal Bumi, seperti permulaan subduksi sebelum kondisi menjadi sesuai untuk lempeng tektonik modern, pembentukan benua pertama, dan asal usul lempeng tektonik tertua. mineral bumi.”

Penelitian baru menjawab dua misteri lama ilmu pengetahuan planet: Apa sajakah “gumpalan” material raksasa dan misterius di dekat inti Bumi, dan apa yang terjadi pada planet yang bertabrakan dengan Bumi untuk menciptakan Bulan? Sebuah studi baru dari California Institute of Technology menunjukkan bahwa sisa-sisa planet purba ini masih ada di dalam Bumi, menjelaskan asal usul “gumpalan” di dekat batas inti-mantel.

Referensi: “Tabrakan Pembentukan Bulan sebagai Sumber Anomali Mantel Basal Bumi” oleh Qian Yuan, Mingming Li, dan Stephen J. Desch, Byung-Kwan Koo, Hongpeng Deng, dan Edward J. Garnero, Travis SJ Gabriel, dan Jacob A. , Vincent Ecke dan Paul D. Asimov, 32 Oktober 2023, alam.
doi: 10.1038/s41586-023-06589-1

Qian Yuan adalah penulis pertama. Selain Yuan dan Asimo, rekan penulis tambahan di Caltech adalah Yoshinori Miyazaki, peneliti pascadoktoral Stanback yang terlibat dalam evolusi planet komparatif. Rekan penulis tambahan adalah Mingming Li, Stephen Desch, dan Edward Garnero (PhD ’94) dari Arizona State University (ASU); Byungkwan Ko dari Arizona State University dan Michigan State University; Hongping Ding dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok; Travis Gabriel dari USGS; Yakub Kegeris NASAPusat Penelitian Ames; dan Vincent Ecke dari Universitas Durham. Pendanaan disediakan oleh National Science Foundation, Aoki Earle Postdoctoral Fellowship di Caltech, USGS, NASA, dan Caltech Center for Comparative Planetary Evolution.