Глубокий слой Земли мог подготовить планету к тектонике плит

Фото из открытых источников

Чуть более века назад ученые узнали, что континенты — далекие от стабильности — скользили по поверхности Земли на гигантских плитах, называемых тектоническими плитами. Хотя мы можем реконструировать, где эти плиты путешествовали на протяжении сотен миллионов лет, остается загадкой, как они вообще начали двигаться. Новое исследование, опубликованное в Geology, предполагает, что виновником может быть глубокий слой Земли, называемый зоной перехода мантии  на основе анализа воды, захваченной в недавно образованном морском дне.

Исследование представляет «провокационную идею… о которой никто на самом деле не задумывался», — говорит Кэтрин Келли, геохимик из Университета Род-Айленда, не принимавшая участия в работе.

На Земле не всегда было тектоническое движение. Бурные ранние годы планеты стали свидетелями того, как океан магмы уступил место водному миру, который мы знаем. Но сегодня жидкая вода в озерах, реках и океанах составляет всего около четверти от общего количества воды на планете. Остальное связано в виде ионов водорода и гидроксида, компонентов воды, заключенных внутри минералов, из которых состоит внутренняя часть Земли.

Вода ослабляет эти породы и позволяет им изгибаться и скользить друг под другом — важнейшая особенность тектоники плит, называемая субдукцией. Кроме того, вода делает породы менее вязкими, помогая им прорываться через самые твердые слои коры, подниматься в виде магмы и затвердевать в новой земле.

Эстебан Газель, геохимик из Корнеллского университета, и его коллеги изучают роль воды в тектонике плит, исследуя содержание воды в магмах, которое регистрирует температуру и давление, которые магма ощущала, проходя через Землю. Крошечные частицы охлажденной магмы, запертые в породах, называемые расплавленными включениями, лучше всего рассказывают эту историю.

Чтобы лучше понять движущие силы тектоники плит, коллега Газеля Шэн-Пин Цянь из китайской лаборатории южной морской науки и техники в Гуандуне получил 30-миллионные оливиновые породы, которые JOIDES Resolution собрал в 2017 году на срединно-океаническом хребте в Южно-Китайском море, где затвердевает новая океаническая кора. Эта же область раньше была частью континента, поэтому исследователи стремились изучить магмы, которые способствовали его распаду.

Камни были отправлены Цзяньхуа Вану, геохимику из Института науки Карнеги, который определил содержание воды в расплавленных включениях, обстреляв их ионным пучком и измерив ионы воды, которые рассеивались. Они обнаружили, что образцы содержали в два раза больше воды, чем большинство других магм, обнаруженных в срединно-океанических хребтах. Кроме того, соотношение ионов воды к церию в образцах — элементу, который действует аналогично ионам воды, но не так легко выходит из минералов — было в три раза выше, чем ожидалось.

Эти затопленные породы могли способствовать истончению континента выше, что привело к его распаду и последующему образованию срединно-океанического хребта, предполагают исследователи. Но Газель также понял, что эти магмы могут указывать на происхождение тектоники плит глубоко под землей в переходной зоне мантии, границе между верхней и нижней мантией на глубине от 410 до 670 километров.

В этой зоне необычайное давление и температура создают минералы с высокой способностью к накоплению воды, впитывая воду как губка, говорит Газель. Исследователи предполагают, что в древней Земле струи богатых водой пород могли подняться из переходной зоны мантии. Вода в этом струе могла затем ослабить жесткие породы, которые покрывали поверхность Земли в то время, позволяя просачивающейся магме вырваться наружу, по сути, обеспечивая смазку для запуска геологического механизма Земли. Затем переходная зона мантии пополнялась, когда тектонические плиты субдуцировали, утаскивая наполненные водой минералы обратно в Землю.

«Чтобы иметь планету с пригодностью для жизни, как наша, нам нужна тектоника плит», — говорит Газель. «Чтобы иметь тектонику плит, нам нужна переработка воды».

Другие теории утверждали, что вода сыграла важную роль в начале тектоники плит, но они утверждали, что движение плит началось ближе к поверхности, возможно, когда вес раннего океана ослабил породы, пока они не погрузились. Чтобы идея Газеля была верной, мантия Земли должна была бы содержать значительное количество воды, когда затвердел магматический океан Земли — открытый геофизический вопрос, но в последние годы он стал более вероятным на основе исследований метеоритов.

Цзюньцзе Донг, постдокторант по физике минералов в Калифорнийском технологическом институте, который не принимал участия в работе, говорит, что он «оптимистически осторожен» в отношении новых результатов. Однако он говорит, что тот факт, что этот механизм мог вызвать рифтинг в Южно-Китайском море 30 миллионов лет назад, не означает, что он применим везде, добавляя, что «могли произойти серьезные изменения в темпах и ритмах планеты», которые не отражены в сравнительно молодых магмах исследования.

Газель надеется, что другие проанализируют затопленные магмы из разных срединно-океанических хребтов, чтобы выяснить, могли ли они прийти из переходной зоны мантии. Он добавляет, что даже если глубины Земли — это только часть истории тектоники плит, новые доказательства расширяют наше понимание того, как связаны глубины и поверхность Земли. «Вода имеет основополагающее значение, [и] не только для жизни», — говорит он. «Вода также делает планету динамичной».