Как Земля создала первые континенты: найден древний тектонический конвейер возрастом 3,5 млрд лет

Земля сильно отличается от всех известных нам планет. Главная геологическая особенность нашего мира — это разделение поверхности на два совершенно разных типа коры: тяжелую океаническую и более легкую континентальную. Океаническое дно состоит в основном из плотных и темных базальтов. Континенты же сложены из пород гранитного ряда. Благодаря своей меньшей плотности континентальные массивы буквально возвышаются над базальтовым ложем, что делает возможным существование обширной суши.

Но геологический облик планеты не всегда был таким. Более трех с половиной миллиардов лет назад, в архейском эоне, Земля была почти полностью покрыта водой, а ее поверхность состояла из сплошной базальтовой коры. Вопрос о том, как именно в этой среде начали формироваться первые легкие континенты, остается одной из самых сложных проблем современной геологии.

Долгое время в научном сообществе доминировали две принципиально разные теории. Первая предполагала, что процесс образования континентов был неразрывно связан с субдукцией — горизонтальным движением литосферных плит, при котором одна плита погружается под другую глубоко в мантию. Вторая теория, известная как модель «застойной крышки», полностью отрицала движение плит на ранней Земле. Ее сторонники утверждали, что земная кора была монолитной и неподвижной, а первые континентальные породы выплавлялись локально: либо из-за падения гигантских астероидов, либо из-за прорыва раскаленных потоков мантии (плюмов), либо из-за проседания нижних слоев коры под собственной тяжестью.

Новое исследование международной группы ученых, опубликованное в журнале Science Advances, предоставляет убедительные доказательства того, что теория неподвижной коры ошибочна. Данные геохимического анализа показывают, что уже 3,5 миллиарда лет назад на Земле работал глобальный механизм транспортировки океанской воды глубоко в недра планеты, что физически невозможно без горизонтального движения литосферных плит.

Проблема воды в древних породах

Основная часть древнейшей континентальной коры состоит из специфических пород — тоналитов, трондьемитов и гранодиоритов (так называемая ТТГ-серия). Эти породы являются прямыми предшественниками современных гранитов.

Чтобы выплавить такие богатые кремнием породы из первичного базальта, необходимо одно важное условие: присутствие огромного объема воды. В геологических процессах вода выступает важнейшим катализатором. Попадая в горячие слои литосферы, она значительно снижает температуру плавления твердых горных пород. Без постоянного притока воды масштабное образование континентальной коры было бы невозможным.

Исследователи сосредоточили свое внимание на кратоне Пилбара в Западной Австралии. Это один из немногих участков земной коры, сохранившийся в первозданном виде со времен архея. Породы Пилбары имеют возраст от 3,2 до 3,5 миллиарда лет. Долгие годы этот регион считался главным аргументом сторонников теории «застойной крышки», поскольку структура местных скал выглядит так, словно магма просто поднималась вертикально сквозь неподвижную кору. Однако оставался открытым вопрос: если кора не двигалась и не погружалась, каким образом на глубину 30-40 километров попадала поверхностная вода, необходимая для выплавления гранитоидов?

Индикаторы древней магмы

Для реконструкции условий, существовавших миллиарды лет назад, ученые использовали кристаллы циркона. Циркон — это минерал, который обладает исключительной прочностью. Он не разрушается при высоких давлениях, выдерживает огромные температуры и не подвержен химическому выветриванию. Формируясь в остывающей магме, циркон захватывает внутрь своей кристаллической решетки различные микроэлементы. Анализ этих элементов позволяет с высокой точностью определить химический состав магмы, существовавшей в момент образования кристалла.

В данном исследовании геологи применили метод анализа изотопов и микроэлементов, чтобы выяснить два параметра: концентрацию воды в древней магме и степень ее окисления. Ключевым индикатором стал элемент церий. В зависимости от того, насколько окисленной была среда, церий встраивается в решетку циркона в разных валентных состояниях (как Ce4+ или Ce3+). Изучив это соотношение, а также содержание титана и урана, ученые смогли восстановить точную химическую картину.

Анализ 13 образцов из кратона Пилбара продемонстрировал хронологическую закономерность. Самые старые породы, возраст которых составляет 3,5 миллиарда лет, сформировались из магмы с относительно низким содержанием воды (около 3,5%). Степень ее окисления также была минимальной и соответствовала обычным показателям мантии того периода.

Однако образцы возрастом от 3,3 до 3,2 миллиарда лет показали совершенно иную картину. За этот геологически короткий промежуток времени магматические очаги претерпели радикальные изменения. Концентрация воды в расплавах выросла почти в три раза, достигнув 9,5%. Одновременно с этим магма стала экстремально окисленной.

Исключение альтернативных гипотез

Чтобы понять, какой физический процесс мог вызвать такое резкое изменение химического состава магмы на глубине в десятки километров, исследователи провели термодинамическое моделирование. В компьютерную программу загрузили параметры древних пород, чтобы проверить различные сценарии их формирования.

Первый проверенный сценарий — фракционная кристаллизация. Это процесс естественного остывания магмы в закрытом пространстве, при котором одни минералы затвердевают раньше других. Модель показала, что при простом остывании магма действительно может локально накапливать воду, однако степень ее окисления при этом неизбежно падает. Это прямо противоречит данным, полученным из цирконов, где количество воды и уровень кислорода росли синхронно.

Второй популярный сценарий сторонников неподвижной коры — это плавление утолщенной литосферы. Гипотеза гласит, что кора местами становилась настолько толстой и тяжелой, что ее нижняя часть отслаивалась, погружалась в горячую мантию и там плавилась, выделяя накопленную воду. Но физика минералообразования исключает и этот вариант. При плавлении пород на больших глубинах (свыше 40-50 километров), которые характерны для утолщенной коры, в остатке неизбежно образуется большое количество минерала граната. Гранат имеет свойство забирать из расплава тяжелые редкоземельные элементы, такие как иттрий и иттербий.

Если бы гранитоиды Пилбары формировались из-за отслаивания глубокой коры, в их химическом составе наблюдался бы острый дефицит этих элементов. Однако анализ показал, что концентрация редкоземельных элементов в породах находится на нормальном уровне. Расчетное давление, при котором формировались эти магмы, составило от 0,9 до 1,3 гигапаскаля. Это соответствует глубине нормальной, неутолщенной коры — около 30-40 километров.

Геологические последствия

Единственный математически и физически обоснованный механизм, способный объяснить наблюдаемые факты — это постоянный приток гидратированных (содержащих воду) и сильно окисленных материалов в нижнюю часть земной коры из внешнего источника.

Ни метеоритные бомбардировки, ни вертикальные мантийные плюмы не способны доставить воду с поверхности океана на глубину 40 километров. Описанные геохимические изменения требуют процесса субдукции: одна тектоническая плита, покрытая слоем океанической воды, должна была погружаться под другую. Опускаясь в горячие недра, породы этой плиты нагревались и выделяли колоссальные объемы воды и кислорода в вышележащую литосферу. Именно этот химический вброс запускал процесс масштабного плавления базальта и образования гранитных магм, из которых впоследствии состояли континенты.

Авторы исследования отмечают, что тектоника плит архейского эона не была точной копией современных процессов. Три с половиной миллиарда лет назад температура внутри Земли была значительно выше. Из-за этого базальтовые плиты были менее прочными и более легкими. Они не могли формировать протяженные и непрерывные зоны субдукции, как это происходит сегодня по краям Тихого океана.

Скорее всего, процесс носил прерывистый характер. Мощные выбросы мантийного вещества раскалывали первичную кору, а утяжеленные края образовавшихся разломов начинали тонуть, затягивая за собой влажную породу. Плиты могли часто обламываться, но даже эпизодических погружений было достаточно для транспортировки воды на необходимую глубину.

Данное исследование окончательно опровергает концепцию абсолютно неподвижной коры в ранней истории Земли. Без механизма погружения плит планета не смогла бы запустить химические реакции, необходимые для создания континентов.

Источник: Science Advances