Изотопные отношения неона в земной мантии рассказывают о ранних этапах формирования Земли

Владислава Ананьева Инертные газы не вступают в химические реакции, поэтому их изотопные отношения не искажаются взаимодействием с веществом атмосферы и недр Земли. Среди инертных газов особенно важны не радиоактивные изотопы, которые не являются продуктом или источником ядерного распада – это ³He, ²²Ne, ³⁶Ar, ⁸⁴Kr и ¹³⁰Xe. Измерение изотопных отношений легких инертных газов (например, неона) позволяет разобраться в истории формирования первичной атмосферы Земли и ранних этапах эволюции нашей планеты. 24 ноября 2025 года в Архиве электронных препринтов появилась статья, посвященная реконструкции истории формирования Земли на основе изотопных отношений неона и гелия. Считается, что изотопные отношения неона из пузырьков газа, заключенного в базальты срединно-океанических хребтов и океанских островов, соответствуют изотопным отношениям неона в веществе верхней и нижней мантии Земли. Так, измеренное отношение ²⁰Ne/²²Ne в базальтах Галапагосских островов составляет 13.23 ± 0.22. При этом в атмосфере Земли это отношение равно 9.80 ± 0.01. Как же неон попал в земную мантию? На этот счет есть три гипотезы. Согласно первой, растущая прото-Земля захватила неон вместе с газом протосолнечной туманности. В этом сценарии Земля начала формироваться очень рано, в эпоху, когда газовый диск еще полностью не рассеялся. Согласно второй гипотезе, при формировании Земля захватила большое количество углистых хондритов, богатых летучими элементами, в том числе неоном. Согласно третьей, Земля аккрецировала большое количество мелкой гальки, подвергшейся интенсивному облучению солнечным ветром и захватившей из него атомы неона. Каждая из гипотез предсказывает разные величины для отношения ²⁰Ne/²²Ne: первая 13.36 ± 0.18, вторая 10.67 ± 0.02, третья 12.5 ± 0.2. Как можно видеть, изотопное отношение неона из базальтов Галапагосских островов соответствует гипотезе захвата газа из протосолнечной туманности. Авторы исследования рассчитали процесс растворения неона в лавовом океане, покрывающем растущую прото-Землю. Масса прото-Земли варьировалась от 0.1 до 0.5 масс Земли. Считалось, что планетный эмбрион включает железное ядро, силикатную мантию и газовую оболочку, погруженную в газ протосолнечной туманности, имеющей солнечный химический состав.  Для того, чтобы неон мог раствориться в мантии, последняя должна быть расплавлена, т.е. температура поверхности планетного эмбриона должна быть больше 1600 К. Расчет температуры поверхности в зависимости от массы показал, что для этого масса эмбриона должна превышать 0.2 масс Земли, и, гораздо вероятнее, быть около 0.3 масс Земли. Еще большее значение массы (больше 0.4 масс Земли) маловероятно, потому что в этом случае количество неона в мантии значительно превысит наблюдаемые значения.  Современное содержание неона в мантии Земли оценивается в (5.8 ± 3.2)·10^-15 моль/г. С учетом того, эта величина примерно в 18.7 раз меньше, чем было изначально, из-за постепенной дегазации в результате тектоники плит и вулканических извержений, концентрацию неона в мантии прото-Земли можно оценить в (1.08 ± 0.60)·10^-13 моль/г. Авторы отмечают, что уже при массе прото-Земли в 0.4 масс Земли растворенное количество неона в ~10 раз превысит это значение. Таким образом, изотопное отношение и общее количество неона в мантии Земли согласуется с гипотезой, что планетный эмбрион массой около 0.3 масс Земли захватил неон из протосолнечной туманности, когда возраст Солнечной системы составлял 1-5 млн. лет. Газовый диск к тому моменту уже в значительной степени рассеялся (в нем оставалось 0.1-1% газа).  Что же происходило дальше? Авторы исследования доказывают, что итоговое формирование Земли происходило в результате гигантских столкновений планетных эмбрионов, причем таких столкновений в истории нашей планеты было не одно, приведшее к образованию Луны, а как минимум два. Они обосновывают этот сценарий отношением изотопов гелия и неона ³He/²²Ne в мантии Земли. Столкновение планетных эмбрионов приводит к повторному расплавлению мантии, образованию лавового океана и появлению вторичной атмосферы из газов, растворившихся в мантийном веществе ранее. Каждый такой эпизод «переплавки» увеличивает отношение ³He/²²Ne из-за лучшей растворимости гелия в расплавленных силикатах.