Ранние континенты образовались из-за мантийных плюмов, а не столкновений плит

Фото из открытых источников

Геологи из Гонконгского университета (HKU) совершили прорыв в понимании того, как формировались ранние континенты Земли в архейский период, более 2,5 млрд лет назад. Их выводы, опубликованные в Science Advances, предполагают, что ранняя континентальная кора, вероятно, образовалась в результате глубинных процессов Земли, называемых мантийными плюмами, а не тектоники плит, которые формируют континенты сегодня.

В отличие от других планет нашей солнечной системы, Земля — уникальная планета с континентальной корой — обширными массивами суши с гранитоидным составом, поддерживающими жизнь. Однако происхождение этих континентов оставалось загадкой. Ученые долго спорили, образовалась ли ранняя континентальная кора посредством тектоники плит, т. е. субдукции и столкновения гигантских плит земной коры, или посредством других процессов, не связанных с движением плит.

Исследование, проведенное под руководством Динъи Чжао и Сянсун Вана в группе по изучению ранней Земли профессора Гочунь Чжао из университета Мок Сау-Кинг на кафедре наук о Земле и планетах Гонконгского университета, совместно с международными коллегами, выявило убедительные доказательства того, что годы становления Земли определялись особым геодинамическим механизмом.

Вместо процессов тектоники плит, которые мы наблюдаем сегодня, исследование указывает на режим, в котором доминируют мантийные плюмы — возвышающиеся колонны горячей расплавленной породы, поднимающиеся из глубин Земли. Оно также определяет явление, известное как просачивание, при котором поверхностные породы постепенно опускаются под своим весом в более горячие, глубокие слои планеты. Эти результаты проливают новый свет на динамические процессы, которые управляли ранней эволюцией литосферы Земли.

Команда проанализировала древние гранитоидные породы, называемые TTG (тоналит-трондьемит-гранодиорит), которые составляют большую часть древнейшей континентальной коры. Эти породы, найденные в северном Китае, датируются возрастом около 2,5 миллиардов лет. Используя передовые методы, исследователи изучили крошечные минералы в породах, известные как цирконы, которые сохраняют химические сигнатуры со времени формирования пород.

Измеряя содержание воды и изотопный состав кислорода в этих цирконах, команда обнаружила, что породы образовались в сухих, высокотемпературных условиях, в отличие от тех, которые обычно встречаются в зонах, где сталкиваются тектонические плиты и одна погружается под другую (зоны субдукции). Кислородные сигнатуры также указывают на смесь расплавленных океанических пород и осадков, что соответствует породам, образовавшимся над мантийными плюмами, а не над зонами субдукции.

Исследователи предложили двухэтапную модель для объяснения своих результатов. Около 2,7 млрд лет назад мантийный плюм вызвал образование толстых отложений базальта (богатой железом и магнием вулканической породы) на морском дне. Затем, около 2,5 млрд лет назад, другой мантийный плюм принес тепло, которое заставило нижние части этих базальтов частично расплавиться. Этот процесс привел к образованию более легких пород TTG, которые в конечном итоге сформировали континентальную кору.

«Наши результаты дают веские доказательства того, что архейская континентальная кора не обязательно должна была формироваться посредством субдукции», — пояснил Диньи Чжао, научный сотрудник кафедры наук о Земле и планетах и первый автор статьи. «Вместо этого двухэтапный процесс, включающий подъем мантийного плюма и гравитационную просадку зеленокаменных пород, лучше объясняет геохимические и геологические особенности, наблюдаемые в Восточном блоке».

Исследование различает два одновозрастных архейских TTG-свиты — одну, связанную с плюмом, и другую, связанную с дугой — сравнивая их содержание цирконной воды и изотопов кислорода. Профессор Гочунь Чжао подчеркнул: «TTG из Восточного блока содержат заметно меньше воды, чем те, которые образовались в надсубдукционной зоне в Транссеверокитайском орогене, что подтверждает интерпретацию несубдукционного происхождения».

«Эта работа является большим вкладом в изучение ранней геодинамики Земли», — добавил соавтор профессор Фан-Чжэнь Тэн из Вашингтонского университета. «Наше использование цирконовой воды и изотопов кислорода открыло новое мощное окно в формирование и эволюцию ранней континентальной коры».

Это исследование не только дает новые идеи в понимании формирования архейской континентальной коры, но и подчеркивает применение водных прокси для различения тектонических сред. Оно вносит вклад в растущее количество доказательств того, что мантийные плюмы сыграли важную роль в формировании ранней континентальной коры.