Рекордный километровый образец керна раскрывает секреты мантии

Прошлым летом группа ученых извлекла свой самый большой на сегодняшний день образец горных пород из мантии Земли, слоя планеты толщиной 2900 километров, зажатого между земной корой и ядром. Теперь первый анализ этих пород, опубликованный в Science, намекает на их потенциал пролить свет на фундаментальные процессы Земли, такие как то, как магма заряжает вулканические извержения и как формируется новая кора на границах плит. Анализ пород, которые содержат дразнящие намеки на микробную активность, может даже помочь исследователям понять, что зажгло первые искры жизни.

«Раньше у нас были моментальные снимки этих процессов», — говорит Майкл Бизимис, геохимик из Университета Южной Каролины, который не входил в исследовательскую группу. Но почти непрерывный новый керн, длиной более 1 километра, обещает беспрецедентные знания. «Этот керн почти как Розеттский камень», — говорит он.

Под континентами Земли мантия скрывается примерно на глубине 30 километров. Поэтому ученые в основном видят этот слой проблесками, например, фрагментами, выброшенными при вулканических извержениях. Однако толщина океанической коры составляет всего около 7 километров. Это побудило поколения ученых попытаться пробурить морское дно, чтобы извлечь свежие породы мантии, начиная с неудачной миссии в конце 1950-х годов, известной как проект Mohole.

Хотя эта задача еще не решена, в прошлом году ученые на борту  JOIDES Resolution, флагмана Международной программы по исследованию океана, достигли следующего лучшего результата: извлекли неповрежденный керн мантийных пород из полосы морского дна, где кора особенно тонкая. Их целью был массив Атлантис, подводная гора, возвышающаяся более чем на 4000 метров над дном Атлантического океана. Пик образовался в результате тектонических сдвигов вдоль близлежащего Срединно-Атлантического хребта, которые подняли и повернули кусок поверхности, сняв верхнюю кору и позволив мантийным породам подняться необычно близко к морскому дну. Это поставило перидотит, тип горной породы, который доминирует в верхней мантии, в пределы досягаемости буровой установки команды. Извлеченный ими керн длиной 1268 метров превзошел последнего рекордсмена по мантийным породам более чем на 1 километр.

Недавно извлеченные породы не являются первоначальными. При воздействии морской воды оливин, зеленый минерал, распространенный в мантийных породах, реагирует с образованием серебристого минерала серпентина. Хотя некоторые участки ядра изменены всего на 40%, другие полностью серпентинизированы. Это затрудняет раскрытие скрытых историй пород. Это как читать школьный отчет ребенка, который упал в лужу — «оценки можно расшифровать, но подробности в сопроводительной записке учителя неразборчивы», — пишет Эрик Хеллебранд, геолог из Утрехтского университета.

Анализ минерального состава ядра выявил ключи к вулканической активности, которая происходит в Срединно-Атлантическом хребте, где тектонические плиты разделяются, позволяя мантийным породам подниматься и частично плавиться. Участки ядра состоят почти полностью из оливина, который устойчив к плавлению. Эти участки, вероятно, представляют собой пути, по которым магма просачивалась к поверхности. По мере того, как расплав тек, он растворял другие минералы, за исключением прочного оливина, объясняет автор исследования Йохан Лиссенберг, петролог из Кардиффского университета. Будущие анализы могут помочь исследователям лучше понять эту подповерхностную мантийную сантехнику, которая питает вулканы морского дна.

Другая интригующая находка из керна намекает на историю куска мантии, который поднялся, чтобы сформировать массив Атлантиды. Поскольку мантийные породы поднимаются, чтобы сформировать вулканы, не все их минералы плавятся одновременно, оставляя после себя так называемые истощенные породы. Ядровые породы были даже более истощенными, чем ожидалось для свежих мантийных пород вблизи Срединно-Атлантического хребта. Возможно, предполагают ученые, это был не первый раз, когда эти мантийные породы поднялись на поверхность. Циркуляционные потоки в мантии перерабатывают породы в процессе, который Бизимис сравнивает со стиральной машиной. Возможно, породы массива Атлантиды поднялись миллионы или даже миллиарды лет назад, затем расплавились и истощились, прежде чем кусок совершил цикл и снова поднялся, предполагают исследователи.

Ядро также помогает ученым понять пределы жизни в экстремальных условиях, где нет света и очень мало источников пищи. Анализ ДНК показывает, что микробы обосновались в верхних частях пород ядра, говорит автор исследования Гордон Саутэм, геомикробиолог из Университета Квинсленда. Но карбонатные минералы в некоторых образцах еще больше намекают на присутствие жизни. Хотя это и неожиданно для мантийных пород, карбонаты обычно образуются как побочный продукт микробной активности. Образцы с карбонатами также дали больше всего микробной ДНК, добавляет Саутэм.

«Вся энергия для жизни исходит из химических реакций», — говорит автор исследования Маргерит Годар, геохимик из Университета Монпелье. Одним из немногих источников энергии является водород, который образуется как побочный продукт серпентинизации. Этот газ также мог быть основной пищей самых ранних обитателей Земли. Поэтому изучение ядра может дать подсказки о том, как жизнь впервые зародилась на Земле — или как она могла выжить в других мирах. «Это действительно начало нового приключения», — говорит Годар.   

Саутэм с энтузиазмом изучает никель в образцах, который жизненно важен для функционирования ферментов, необходимых микробам, использующим водород в качестве пищи. Он и его коллеги обнаружили, что там, где есть свидетельства серпентинизации и производства водорода, есть и биодоступный никель. Они надеются, что, картируя никель, они смогут определить наиболее перспективные места для обнаружения глубоко живущих микробов.

Годар подчеркивает, что команда все еще находится в самом начале своего анализа. «Это книга, которая только открывается. Нам нужно начать ее читать».