Több ezer kilométerrel a lábunk alatt, a földköpeny mélyén két hatalmas, kontinensekkel vetekedő méretű struktúra terül el. A New Scientist által nemrég összefoglalt kutatások alapján elképzelhetőnek tűnik, hogy a furcsa képződmények bolygónk történetének legnagyobb kataklizmája, a Holdat 4,5 milliárd éve létrehozó becsapódás során jöttek létre, és azóta fennmaradtak.

Egy korábbi, a Föld belső magjának kialakulásával és annak jelentőségével foglalkozó cikkünkben már érintettük ezeket a köpeny legalsóbb rétegeiben elterülő titokzatos alakzatokat, ugyanis egyes kutatók szerint ezek hatással lehetnek a belső mag viselkedésére, és akár a Föld többi részétől eltérő forgási sebességének ciklikus változásáért is felelhetnek.

A szakemberek először az 1980-as években azonosították ezeket a formációkat, és LLSVP-nek, vagyis „nagy, alacsony nyírásihullám-sebességű tartományoknak” nevezték el őket, a bennük a környezetüknél lassabban terjedő nyírási (S) rengéshullámok után. A két LLSVP, melyek közül az egyik nagyjából Afrika, a másik pedig a Csendes-óceán alatt található, a földköpeny térfogatának 8 százalékát teszi ki. Magasságuk a külső mag és a köpeny határvonalától egyes helyeken az ezer kilométert is elérheti, míg a Csendes-óceán alatti szélessége eléri a 3 ezer kilométert is.

Az egyenetlen alakú, környezetüknél valószínűleg forróbb, főként szeizmikus jelek segítségével vizsgálható struktúrák természetét és keletkezését többnyire homály fedi. A kialakulásukat tekintve jelenleg az a vezető hipotézis, hogy az óceáni kéregnek a földköpenybe történő alábukásához, egy szubdukciónak nevezett folyamathoz köthető a létrejöttük. Eszerint az óceáni kéreg alámerülő darabkáinak egy része a köpeny áramlásaival óriási köpenyhőoszlopokká (mantle plumes) alakul, amelyek fenntartják az eredetileg a Föld magjából származó hő által kialakított alakzatokat. Ennek egy eltérő, a New Scientist által ismertetett változata szerint az LLSVP-k a Pangea szuperkontinens triász időszakban (250–200 millió évvel ezelőtt) kezdődő széttöredezésének következtében jöttek létre, mert az alábukó kőzetlemezek darabjai lehűtötték a köpeny legmélyének őket körülvevő részeit.

Az elmúlt években egy ennél sokkal rendkívülibb alternatív hipotézis is megfogalmazódott az LLSVP-k létrejöttére, amely szerint azok a Földet 4,5 milliárd éve eltaláló és a Hold kialakulásához vezető, Theiának nevezett égitest maradványai lehetnek. Valódi eredetük feltárása az elmúlt években a sűrűségük meghatározásának irányába indult, mert az információkkal szolgál az őket alkotó anyagokról, és ma már egészen a holdkéreg kőzeteinek vizsgálatáig tart.

A sűrűségük megfejtése elvezet az összetételük, és így az eredetük kiderítéséhez

A közel 2900 kilométer vastag földköpeny a felszíntől számított mélységtől függően változó összetételű, főként szilikátos kőzetekből áll, és hőmérséklete a köpeny-kéreg határvonalon néhány száz fokostól az alsó köpeny-külső mag határvonalnál lévő 4 ezer fokosig alakul.

A külső mag feletti régióban elhelyezkedő LLSVP-kről információt adó szeizmikus mérések alapján Harriet Lau, a Kaliforniai Egyetem geofizikusa szerint nehéz különbséget tenni aközött, hogy a struktúrák hőmérséklete vagy összetétele tér el a köpeny többi részétől. Ha az derülne ki, hogy összetételük egyezik vele, és hőmérsékletük magasabb nála, akkor az a köpenybe alábukó kőzetlemezek által való létrejöttük hipotézisét erősítené.

De az is elképzelhető, hogy az LLSVP-k nem csak forróbbak, hanem összetételükben is eltérnek a köpeny többi részétől. „A sűrűségük a szent grál ebben a vitában” – mondta Paula Koelemeijer, a Londoni Egyetem szeizmológusa a New Scientistnek, ugyanis az utalhat a hőmérsékletükre és kémiai összetételükre is. Ennek ismerete szintén fontos lenne ahhoz, hogy eldőljön, hatással lehetnek-e a struktúrák a Föld belső magjának forgási sebességére, mivel az csak nagyobb sűrűség esetén tűnik működőképesnek.

Harriet Lau és Paula Koelemeijer éveken át, egymástól függetlenül dolgozott a struktúrák sűrűségének meghatározásán. 2017-ben Lau és kollégái az LLSVP-k által a kéregben, az árapállyal okozott parányi változásokat mérték GPS szenzorok segítségével, és azt találták, hogy azok meglehetősen sűrűek. Koelemeijer és munkatársai ugyanebbe az időben folytatott szeizmikus mérésekkel az LLSVP-k köpenyen belüli elhelyezkedését vizsgálták. Megállapították, hogy az alakzatok a külső magtól kissé megemelkedve helyezkednek el, ami arra utal, hogy környezetüknél kevésbé sűrűek.

Koelemeijer szerint „a két módszer ellentétes eredményt adott”, ezért a kutatók úgy döntöttek, hogy közös erőfeszítéssel oldják meg a problémát. A most megosztott kezdeti eredményeik, melyek még nem kerültek publikálásra, arra mutatnak, hogy bár az LLSVP-k többnyire alacsony sűrűségűek, valamint forró köpenyhőoszlopokból állnak, egyes részeik sűrűbbek, és így mélyebbre merülnek a köpenyben. A kutatók arról még nem kívántak beszélni, hogy megállapításaik melyik, a struktúrák eredetére vonatkozó hipotézist erősítheti.

Mikor keletkeztek az LLSVP-k?

Hasonlóan fontos kérdés, hogy a formációk mikor jöttek létre. „Ha ezek tényleg ősi struktúrák, akkor az arról is elmond valamit, hogy hogyan keletkezett a bolygónk” – nyilatkozta a New Scientistnek Sujoy Mukhopadhyay, a Kaliforniai Egyetem (Davis) bolygókutatója.

Korábban más szakemberek már találtak olyan nyomokat, amelyek ezt a vélekedést erősíthetik. Egyes, vélhetően a struktúrák által hajtott óceánfenéki vulkánok lávájából vett minták olyan radioaktív elemeket tartalmaznak Lau szerint, melyek a 4,5 milliárd éves bolygónk keletkezése utáni 50–100 millió évben jöhettek létre. Ezt Mukhopadhyay erős érvnek tekinti arra vonatkozóan, hogy a struktúrák ősi képződmények.

A keletkezési idejük feltárása azért is kulcsfontosságú, mert ha földtörténetileg ennyire ősiek, az ellent mondana annak, hogy az alakzatok lemeztektonikai folyamatok hozták létre – mivel azok hozzávetőleg 2–3 milliárd évvel ezelőtt indultak meg. Ha viszont nem kőzetlemezek maradványai alakították ki az LLSVP-ket, akkor azok vagy bolygónk keletkezése óta léteznek, vagy egy másik naprendszerbeli égitestnek köszönhetik létüket.

A Holdat létrehozó becsapódás lenne a felelős a struktúrákért?

Az egyetlen olyan esemény, amely befolyásolhatta a földköpeny mélyének összetételét, a Holdunkat létrehozó kolosszális becsapódás volt. A Hold keletkezésére kidolgozott, az 1970-es évek óta vezető hipotézis szerint a Naprendszer hajnalán, 4,5 milliárd éve egy közel Mars-méretű bolygó ütközött a Földnek. A feltételezett Theia által bolygónkból kiszakított anyagok egy része pályára állt a Föld körül, majd fokozatosan összeállva létrehozta a Holdat. A becsapódás nem csak kiszakított anyagokat a Földből, hanem rengeteg, az élethez nélkülözhetetlen vizet és illékony anyagot hozhatott bolygónkra, legalábbis egy 2019-ben, a Nature Astronomy folyóiratban közölt kutatás szerint.

Az elmúlt években egyes kutatók továbbfejlesztették a becsapódási hipotézist azzal, hogy a földköpeny mélyén elhelyezkedő LLSVP-ket a Theia maradványainak tekintik. Ha ezt sikerülne megerősíteni, az egyszerre zárhatná le a struktúrák eredete és a Hold formálódása körüli vitákat. Ez ugyanakkor rendkívül nehéz feladatnak ígérkezik, mivel a becsapódás során a Theia megsemmisült, így nem hagyott hátra olyan maradványokat, amiket össze lehetne hasonlítani a struktúrákból származó kőzetek összetételével. További problémát jelent, hogy a hatalmas becsapódás számítógépes modellezése nem igazán adja vissza a valóságot, konkrétabban azt, hogy a Hold nagyrészt a Föld anyagaiból épül fel, és nem attól eltérőkből, mint azt egyes szimulációk sugallják. A probléma megoldásához közelebb vitt egy 2019-ben, a Nature Geoscience folyóiratban közölt tanulmány, amely szerint a Theia egy magmaóceán által borított korai Földet találhatott el.

Azt, hogy az LLSVP-k tényleg ősi struktúrák, a bennük található kálium, tórium, és urán egyes izotópjai által, radioaktív bomlásuk során kibocsátott neutrínók vizsgálata elméletileg elárulhatná, ha a köpeny felől érkező könnyű elemi részecskéket nagyon nagy érzékenységű detektorokkal tudnánk vizsgálni. A New Scientistnek nyilatkozó kutatók abban reménykednek, hogy az LLSVP-k rejtélyét ezek elkészültéig bevált módszerekkel (mint a rengéshullámok vizsgálata) is meg lehet majd oldani. Ehhez szerintük fontos lenne a szárazföldek mellett az óceánok jobb lefedése szeizmográfokkal, amire úszó vagy tengeraljzati műszerekkel már zajlanak próbálkozások. Koelemeijer szerint ezek adatai már most arra utalnak, hogy a köpeny mélyén lévő két kolosszális struktúra „nem feltétlenül két összefüggő buborék, hanem sokkal hézagosabbak, és több részlettel rendelkeznek”.

Az Arizonai Állami Egyetem kutatója, Jüan Csien tavaly meglepő eredményekkel állt elő az évente megrendezett Hold- és bolygókutatási konferencián (LPSC). Kollégáinak korábbi eredményei és Jüan saját számítógépes szimulációi azt jelzik, hogy a Holdat létrehozó becsapódással bolygónk külső rétegeinek nagy része folyékonnyá vált, míg a Földdel ütköző Theia nagy része megsemmisült. Az egykori égitest köpenyének 20 százaléka viszont elérhette a Föld szilárd alsó köpenyét, amelynek darabkái Jüan szerint a mai napig megtalálhatók ott. A hipotézissel látszólag egybevág az, amire a valószínűleg struktúrákból származó, lávaként a felszínre jutó magma összetétele utal, de megerősítéséhez ennél sokkal komolyabb bizonyítékokra lenne szükség.

Jüan szerint ilyeneket a holdkéregből vett minták vizsgálata adhat. A kollégái által tanulmányozott holdi kőzetek kémiai összetétele jelenleg ugyanis arra utal, hogy a holdköpenyben, mely részben a Theia egykori köpenyéből jöhetett létre, sok, nagy sűrűségű vas-oxid található. Ez alapján az LLSVP-knek is sűrűbbnek kellene lenniük környezetüknél, ami megmagyarázhatja, miért maradtak fenn 4,5 milliárd éven keresztül. Ahelyett ugyanis, hogy a köpeny áramlásai felkapták volna az őket alkotó anyagokat, nagyobb sűrűségükkel a köpeny aljára süllyedhettek, és lényegében 4,5 milliárd évig ott ragadtak. Jüan úgy véli, az is lehetséges, hogy a lemeztektonika alakítgatja a struktúrák elhelyezkedését, alakját és összetételét, de azok eredetileg a Theia részei voltak.

Az LLSVP-k, bárhogyan is keletkeztek, alapvetően befolyásolhatják a földi életet. A köpenyhőoszlopok, melyek valószínűleg földalatti szupervulkánok, vagy éppen a Hawaii-szigetekhez hasonló vulkanikus szigetvilágok létrehozásáért felelnek, nagyrészt a két hatalmas struktúrából származnak. Hatásuk feltárása azonban csak akkor kezdődhet meg igazán a kutatók szerint, ha először az eredetüket sikerül megérteni.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: