Миллиарды лет назад Земля перерабатывала свою поверхность

Фото из открытых источников

На ранней Земле поверхность и глубинные слои обычно представляются как отдельные миры. Считается, что субдукция — процесс, в результате которого дно океанов погружается в планету, — началась довольно поздно.

Обломки вулканических пород, возраст которых превосходит почти все остальные, указывают на то, что связь между ними сформировалась гораздо раньше. Что-то с поверхности проникло глубоко внутрь, задолго до того, как об этом говорится в учебниках.

Эти породы — коматииты, лавы настолько раскаленные, что с тех пор почти ничего подобного не образовалось. Они извергались при температуре выше 1600 °C, что превосходит все, что могут производить современные вулканы.

Почти все они относятся к архею — ранней эре Земли, от 4 до 2,5 миллиардов лет назад, — когда температура внутри планеты была намного выше. Образуясь под земной корой, они несут в себе химические сведения из мест, куда редко добираются горные породы.

Группа исследователей под руководством Чжэн-Ю Луна из Парижского института физики Земли (IPGP) провела измерения 50 образцов коматиита из десяти мест по всему миру. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Самые древние извержения произошли из формации возрастом 3,6 миллиарда лет в Южной Африке. Самые молодые извержения произошли всего 89 миллионов лет назад.

Разгадка кроется в изотопах калия. Калий существует в двух немного различающихся по весу формах, и баланс между ними меняется в зависимости от того, через что прошел элемент, особенно при контакте с водой.

Когда команда Лонга провела анализ, три участка оказались совершенно разными. В их коматиитах содержалось гораздо больше тяжелого калия, чем в обычных мантийных породах, даже больше, чем в морской воде, которая и без того богата тяжелыми веществами.

Такое сочетание странное. Глубокая мантия, из которой поднимались эти лавы, должна располагаться примерно посередине диапазона содержания калия, а не на его краю. Этот разрыв требует объяснения.

Группа Лонга сначала рассмотрела самые простые варианты. Выветривание и химический разложение были очевидными причинами. Но эти процессы вытягивают тяжелый калий, снижая, а не повышая показания. Загрязнение континентальной корой оказало аналогичное воздействие, снижая значения везде, где оно проникало в окружающую среду.

Даже катаклизм, произошедший в самом начале существования Земли, — столкновение, в результате которого образовалась Луна, — не смог переместить калий в достаточной степени, чтобы объяснить полученные показания.

Одну из версий было сложнее исключить. Тяжелый калий мог быть пережитком самых ранних дней существования планеты, заключенным в мантийном слое, который так и не был перемешан. Но эти породы несут на себе и другие следы той эпохи, такие как вольфрам и неодим. Калий не содержит ни одного из них, поэтому команда обратилась к более позднему методу.

Данные соответствуют субдукции – погружению океанического дна в мантию, в результате чего поверхностный материал увлекается вниз. По мере нагревания погружающейся плиты она выделяет горячие жидкости, которые в первую очередь уносят тяжелый калий.

Подобное проникновение жидкости в мантию приводит к насыщению её тяжёлым калием, характерным для этих коматиитов. Даже слабые следы могут нарушить баланс, едва затрагивая остальную часть породы.

Три наиболее примечательных участка были хорошо известны. Это древние лавовые поля в Южной Африке и Канаде, которые, согласно более ранним исследованиям, отличались необычной влажностью из-за воды, заключенной в их кристаллах.

В независимом исследовании, проведенном несколько лет назад, утверждалось, что некоторые из этих лав образовались из пропитанной морской водой коры, втянутой в глубокие слои мантии. Наличие калия добавляет второе, отдельное доказательство в пользу этой гипотезы.

Передача этого сигнала от поверхности к источнику занимает время. Переработанный материал, вероятно, опустился на дно и оставался там в течение многих веков, а затем поднялся обратно на поверхность внутри высоких облаков раскаленных пород.

Согласно результатам моделирования, в самых влажных районах таяние происходит на глубине сотен километров, вблизи переходной зоны мантии. Эта полоса расположена на глубине от 400 до 660 километров, глубоко во внутренних областях Земли.

Находилось ли калий на такой большой глубине или же он был подхвачен по мере подъема лавы, команда пока сказать не может. Та же самая подсказка недавно обнаружила поверхностные воды, скрывающиеся под современной Азией, в статье, посвященной более молодым горным породам.

Если сложить все эти фрагменты, то один вывод бросается в глаза. По меньшей мере 3,6 миллиарда лет назад вода и переносимый ею материал начали отрываться от поверхности Земли и втягиваться во внутренние слои.

Это не доказывает существование современной тектоники плит. Однако это показывает, что молодая планета уже тогда эффективно втягивала поверхностные воды в свои глубины.

Это совпадение по времени согласуется с другими данными, в том числе с анализом, согласно которому континенты дрейфовали со скоростью, характерной для современности, уже 3,2 миллиарда лет назад.

Земля остается пригодной для жизни отчасти благодаря круговороту воды и газов между поверхностью и мантией, регулирующему процессы плавления и течения горных пород. Обнаружение этого процесса на столь ранних стадиях меняет ход событий.

Механизм, обеспечивающий возможность существования пригодного для жизни мира, возможно, заработал в течение первого миллиарда лет существования Земли.

Полученные результаты предоставляют исследователям долговременный инструмент. Тяжелый калий в древней лаве сохраняется на протяжении тысячелетий, поэтому тот же самый тест теперь может использоваться для исследования других древних пород, позволяя определить, когда поверхность впервые достигла глубин Земли.