Древнейшие минералы указывают на существование континентов до 4 млрд лет назад

Фото из открытых источников

Самые древние кристаллы, образовавшиеся на Земле, содержат признаки того, что континенты существовали в гадейский (катархейский) эон и погружались в мантию более 4 миллиардов лет назад. Если это правда, то это не только заставит пересмотреть представление о том, как выглядела и двигалась ранняя Земля, но и продлит период, когда у жизни был шанс зародиться. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Возраст самых древних горных пород на Земле оспаривается и составляет 4,16 миллиарда лет, но существуют минералы, которые еще древнее. Это микроскопические кристаллы, известные как цирконы, которые были частью очень ранних горных пород, подвергшихся эрозии; прочные цирконы — их единственное сохранившееся наследие. Насколько широко были распространены эти цирконы в течение первых 500 миллионов лет существования Земли, неизвестно; единственное место, где они сохранились за 4,4 миллиарда лет геологической активности, — это холмы Джек-Хиллз в Западной Австралии.

Такие мелкие кристаллы, отделившиеся от древних пород, не могут ответить на многие важные вопросы о мире того времени. Однако изучение их химического состава показывает, что геология не везде следовала одному и тому же сценарию.

Цирконы улавливают одни элементы, но не задерживают другие, и те, которые они захватывают, дают представление о магме, в которой они образовались. «Это крошечные капсулы времени, и они несут в себе огромное количество информации», — заявил профессор Джон Вэлли из Университета Висконсина в Мэдисоне. 

Вэлли входит в состав группы исследователей, которые сравнили химический состав цирконов из Джек-Хиллз с цирконами из зеленокаменного пояса Южной Африки, образовавшегося в конце гадейского эры, завершившейся 4,03 миллиарда лет назад. Их состав достаточно сильно различается, чтобы потребовать объяснения, особенно в отношении соотношения ниобия к урану и скандия к иттербию.

«В районе Джек-Хиллз мы обнаружили, что большинство наших цирконов не выглядят так, будто они происходят из мантии, — сказал Вэлли. — Они похожи на континентальную кору. Похоже, что они образовались над зоной субдукции». Современные зоны субдукции предполагают, что одна тектоническая плита подталкивается под другую, втягивая её в мантию.

Сегодня мы ожидали бы, что кристаллы, образовавшиеся на расстоянии океанов друг от друга, будут другими, но это не относится к ранней Земле, которая, как считается, была настолько горячей из-за бомбардировок космическими камнями, что была покрыта магматическим океаном. Модели того, как это происходило по мере охлаждения, обычно показывают образование жесткой оболочки, которую геологи называют «застойной крышкой». Только позже, как предполагают эти модели, эта крышка распалась на тектонические плиты, которые двигались друг относительно друга и под друг другом, формируя континентальную кору, на которой мы живем.

Одна из возможных причин — ошибка в анализе, проведенном на одном наборе кристаллов, но Вэлли в этом сомневается. «Я думаю, что данные из Южной Африки верны, и наши данные тоже верны», — сказал он. «Это означает, что Земля в гадейский период не была покрыта однородной неподвижной земной корой».

Другие небесные тела во внутренней части Солнечной системы, такие как Венера и Луна, до сих пор имеют застойные крышки. Даже Ио, где наблюдается высокая вулканическая активность, имеет такую крышку, что в целом подтверждает идею о том, что когда-то она была и на Земле. Однако некоторые геологи сомневаются в этой идее или, по крайней мере, подозревают, что застой закончился гораздо раньше, чем принято считать, примерно 3,8 миллиарда лет назад. В последние годы начали накапливаться доказательства в их пользу.

Это не означает, что современная тектоника плит уже шла полным ходом, когда образовались цирконы Джек-Хиллз 4,4 миллиарда лет назад. Вместо этого Вэлли и его соавторы предлагают модель, в которой мантийные плюмы, подобные тем, которые приводят к образованию океанических островов, частично расплавили основание земной коры, запустив процесс, который вытягивал породы с поверхности вниз. Эти поверхностные материалы были богаты водой, доставленной кометами, и они изменяли химический состав мантии, с которой смешивались. «Вода вызывает плавление, и это приводит к образованию гранитов», — сказал Вэлли.

Несмотря на свою тяжесть по сравнению с биологическими материалами, граниты менее плотные, чем породы, составляющие океаническую кору. Эта разница приводит к тому, что богатые гранитом континенты плавают над морским дном.

«Это свидетельство существования первых континентов и горных хребтов, — сказал Вэлли. — Это не тектоника плит, но поверхностные породы погружаются в мантию. У нас может одновременно существовать как среда, подобная застойной крыше, так и среда, подобная субдукции, просто в разных местах». 

Даже самая застойная из моделей застойной литосферной плиты допускает втягивание частей плиты в мантию. Однако авторы отмечают: «Субдукция принципиально отличается от процессов застойной литосферной плиты, таких как прогиб». При прогибе циркулирует только нижняя часть плиты, лишенная воды, тогда как субдукция включает поверхностные породы, некоторые из которых гидратированы.

Некоторые теории происхождения жизни предполагают, что она зародилась вокруг вулканических жерл на морском дне; другие склоняются к версии о происхождении в озерах на вулканических островах. Однако, если бы в то время существовали континенты, пусть даже относительно небольшие, это создало бы гораздо больше возможностей, чем предлагают небольшие и по своей природе нестабильные океанические острова.

«Мы предполагаем, что в истории Земли около 800 миллионов лет поверхность была пригодна для жизни, но у нас нет ископаемых доказательств, и мы не знаем, когда жизнь впервые зародилась на Земле», — сказал Вэлли.