Извергнувшийся в 2018 году вулкан поднял материал со времен зарождения Земли

Фото из открытых источников

Молодой подводный вулкан недалеко от Майотты сохранил химическую память о рождении Земли вплоть до морского дна. И эта память очень древняя. Лава из Фани-Маоре содержит следы мантийного материала, образовавшегося в течение первых 100 миллионов лет существования планеты, когда большая часть Земли, возможно, представляла собой гигантский океан расплавленной породы. Другими словами, в глубинах Земли, возможно, до сих пор сохранились фрагменты её древнейшей истории.

В официальном резюме исследования описана работа, задуманная Клодин Израэль из Кембриджского университета и Кэтрин Шовель из Института физики Земли в Париже, с коллегами из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL). Полная версия исследования опубликована в журнале Nature.

Одна важная деталь. Сама извергнутая лава не имеет возраста 4,4 миллиарда лет. Вместо этого, магма, по-видимому, приобрела химический состав, унаследованный от столь древнего материала.

Гора Фани Маоре образовалась во время землетрясения и вулканического кризиса, начавшегося недалеко от Майотты в мае 2018 года.

В ходе океанографических исследований, проведенных в 2019 году, вулкан был обнаружен примерно в 50 километрах к востоку от острова. Он возвышается более чем на 800 метров над морским дном, а его основание находится примерно на 3400 метров ниже уровня моря. В ходе научных экспедиций в период с 2018 по 2021 год были обнаружены необычно свежие породы на этом недавно образовавшемся вулкане.

Группа исследователей сравнила 13 образцов из Фани-Маоре с восемью образцами горных пород с восточной стороны соседнего острова Майотта. Зачем их сравнивать? Представьте две партии, приготовленные на одной и той же кухне, за исключением того, что в одной из них остался едва заметный ингредиент от первого рецепта на планете. Это крошечное различие стало центральной темой исследования.

Считается, что вскоре после образования Земли гигантское столкновение породило обломки, из которых впоследствии образовалась Луна.

В результате столкновения высвободилось огромное количество тепла. Достаточно, чтобы расплавить большую часть мантии Земли. В итоге получилось нечто, что сегодня трудно себе представить — магматический океан планетарных размеров. Со временем расплавленная порода остыла. Минералы кристаллизовались. Начала формироваться самая ранняя земная кора.

Магматический океан, конечно, совсем не походил на привычное море с волнами и пляжами. Это был глубокий слой жидких силикатных пород, образованных из широкого спектра материалов, которые впоследствии сформировали мантию и кору Земли. При замерзании различные минералы связывали различные элементы. Эти химические связи сохранились, подобно отпечаткам пальцев. Спустя миллиарды лет ученые все еще могут их искать.

Неодим существует в нескольких формах, называемых изотопами. Один из них может выступать в роли своего рода метки времени, отражающей состояние молодой Земли.

Исследователи обнаружили небольшой, но значимый избыток неодима-142 в породах Фани-Маоре. Его радиоактивный родительский изотоп исчез на очень ранней стадии истории Земли, поэтому обнаружение этого дисбаланса указывает на разделение материала в течение первых 100 миллионов лет существования планеты. Разница была ничтожно мала. Действительно ничтожна.

Для его обнаружения потребовались измерения, гораздо более точные, чем те, которые использовались во многих более ранних исследованиях. Исследователи применили новый метод масс-спектрометрии, который сортирует атомы по массе и позволяет отслеживать различия всего в несколько частей на миллион.

Представьте, что вы пытаетесь найти горстку необычных зерен в куче из миллиона. Примерно в таком масштабе и идет речь.

Сигнал Фани Маоре статистически отличался от лабораторного эталона. Сигнал более древних пород Майотты не отличался.

Откуда же мог взяться этот древний химический отпечаток? Главным кандидатом является бриджманит, преобладающий минерал в нижней мантии Земли, глубоко под земной корой. Она стабильна только при огромном давлении глубоко внутри планеты. Ученые, очевидно, не могут просто выкопать яму и взять кусок, поэтому они воспроизводят эти условия в лаборатории.

Команда сжимала крошечные образцы между алмазами и нагревала их лазерами. Цель заключалась в том, чтобы выяснить, как неодим и другой элемент, самарий, перемещаются между расплавленной породой и растущими кристаллами. Эти эксперименты показали, что ранний бриджманит мог приобрести химический состав, необходимый для объяснения образования лавы.

Согласно предпочтительной модели исследовательской группы, примерно одна десятая часть источника магмы состояла из древнего материала, богатого бриджманитом. Остальная часть представляла собой в основном обычную мантию, плюс менее одного процента переработанных донных отложений. Это число является моделью, а не прямым подсчетом. Тем не менее, альтернативное объяснение, основанное на образовании древней земной коры, требовало сохранения в целости гораздо более древнего материала. Это делает объяснение, основанное на глубинных слоях мантии, особенно интересным.

Мантия Земли состоит из твердой породы. Но на протяжении огромных промежутков времени она очень медленно течет и циркулирует. Представьте себе невероятно медленно помешиваемый горшок. Горячий материал поднимается, а более холодный опускается.

После более чем четырех миллиардов лет такого движения многие исследователи ожидали, что большинство химических следов с самых ранних дней существования Земли будут размыты или стерты. Очевидно, что не все из них таковыми оказались.

Результаты исследования вулкана Фани Маоре указывают на то, что перемешивание мантии было неполным. Некоторые химически различающиеся участки могли сохраниться после долгого пути через мантийную конвекцию, прежде чем поднимающийся столб горячего материала в конечном итоге подпитал вулкан.

На практике это может означать, что действующий сегодня вулкан передает послание, написанное еще тогда, когда Земля восстанавливалась после первых гигантских столкновений. Довольно удивительно для груды вулканических пород.

Это открытие не было совершенно неожиданным. В более раннем исследовании было обнаружено необычное древнее присутствие неодима в вулканических породах острова Реюньон.

В исследовании 2025 года, основанном на моделировании, также был сделан вывод о том, что затвердевание мантии может естественным образом оставить после себя глубокий резервуар первичного расплава.

Однако возникла проблема. Более ранние сигналы были крайне слабыми, а точность измерений затрудняла их достоверную интерпретацию.

Новая работа объединяет несколько элементов. Свежие образцы вулканической породы. Лабораторные эксперименты. Компьютерные модели. Сверхточные химические измерения. И картина начинает проясняться.

Это также поднимает еще один вопрос. Могут ли подобные отложения гадейского периода скрываться под другими океаническими островами?

Исследователи уже сообщали о незначительных аномалиях в таких местах, как Реюньон, Исландия и Питкерн. Более точные измерения в этих вулканических очагах могли бы показать, является ли Фани-Маоре необычным явлением или просто самым ярким примером, обнаруженным на данный момент.

Практически не сохранилось прямых геологических свидетельств гадейского периода, так ученые называют самый ранний период истории Земли. Большая часть этих свидетельств была уничтожена, переработана или изменена. Поэтому исследователям часто приходится восстанавливать исторический период по моделям и разрозненным химическим данным.

Бернар Бурдон из французского исследовательского агентства CNRS сравнил этот результат с обнаружением образца земного ядра, который каким-то образом достиг поверхности. Это объясняет, почему это открытие имеет такое значение. Фани Маоре представляет собой косвенный образец глубинного материала, который, возможно, оставался обособленным с самого начала истории Земли.

Остаются вопросы. Где именно образовался этот древний карман? Какая его часть попала в исток вулкана? И как он смог просуществовать более четырех миллиардов лет? Потребуются дополнительные измерения с других вулканов. Однако на данный момент имеющиеся данные подтверждают поразительную возможность. Внутреннее строение Земли помнит о своем детстве больше, чем ученые когда-то считали.