Горные породы доказывают, что Земля начала самопереработку 2,6 млрд лет назад

Фото из открытых источников

Сегодня поверхность Земли активно перерабатывает органические вещества: старая кора опускается обратно в планету, а новые породы образуются в других местах. Ранняя Земля, по-видимому, перерабатывала гораздо меньше. Находки из горных пород со всего мира указывают на переломный момент примерно 2,6 миллиарда лет назад, когда химический режим, сохранявшийся более миллиарда лет, в значительной степени исчез из летописи.

Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the Royal Society A, проведенное исследователями из Университета Кертина в Австралии совместно с коллегой из Университета Куинс в Канаде, выявило наличие свинца в образцах горных пород из Австралии, Китая, Западной Африки, Финляндии и других регионов. Команда обнаружила существенное изменение в процессе формирования земной коры, причем с геологической точки зрения это изменение выглядит скорее резким, чем постепенным. Одно из возможных объяснений — переход к тектонике плит, медленному перемещению поверхностных плит планеты, которое до сих пор формирует мир.

В более ранних исследованиях, цитируемых в работе, этот же временной промежуток связывают с изменениями в химическом составе океана и поступлении питательных веществ в ранние моря — изменениями, которые могли повлиять на эволюцию ранней жизни. Примером может служить изменение содержания никеля, зафиксированное в древних железосодержащих породах около 2,7 миллиарда лет назад, — признак того, что минералы, смываемые с континентов, менялись. Планета, которая меняет способы формирования и переработки своей земной коры, также меняет состав своих океанов, что может повлиять на обитающие там организмы.

Свинец выполняет функцию как часов, так и отпечатка пальца. Уран и торий медленно распадаются на свинец с постоянной, хорошо известной скоростью, поэтому содержание свинца в породе показывает возраст исходного материала и химическую среду, в которой он образовался. Большинство минералов со временем накапливают новый свинец, что размывает эту информацию. Команда сосредоточилась на двух минералах, которые избегают этой проблемы: полевом шпате, распространенном кристалле, и сульфидах — минералах, образованных вокруг серы. Оба содержат очень мало урана или тория, поэтому они сохраняют информацию, близкую к той, что была у них при образовании.

Исследователи собрали данные об содержании свинца в образцах полевого шпата и сульфидов с независимо известным возрастом, а также добавили новые данные из восьми образцов гранита из Китая, Западной Африки и Финляндии. Образцы, которые были повторно нагреты или подвергнуты химической обработке позже, были исключены, поскольку эти события могут исказить данные о содержании свинца. Итоговый набор данных содержал 1235 образцов, возраст которых варьировался от 3,8 миллиардов лет до настоящего времени, и большая часть полевого шпата была получена из гранита — породы, которая часто образуется при плавлении существующей земной коры. Примерно 71% образцов были из Австралии, поэтому команда повторила анализ только на образцах из других регионов, чтобы убедиться, что закономерность не является просто результатом случайного места сбора образцов.

В породах старше примерно 2,63 миллиарда лет были обнаружены две резко различающиеся характеристики содержания свинца: одна указывала на богатый ураном источник, а другая — на бедный ураном. Моделирование показывает, что оба источника образовались в период от 4,0 до 3,7 миллиарда лет назад, и указывает на то, что каждый из них оставался в значительной степени изолированным по меньшей мере миллиард лет, прежде чем появился в породах, образцы которых можно исследовать сегодня. Авторы предполагают, что оба источника могли представлять собой верхний и нижний слои ранней, внутренне слоистой земной коры.

Начиная с периода от 2,75 до 2,63 миллиарда лет назад, оба признака в значительной степени исчезли, и более молодые породы смешались с усредненным составом, что соответствует смешиванию более свежего материала. Чтобы точно определить время, исследователи использовали статистический метод, разработанный для выявления точки, где длительный ряд данных внезапно начинает вести себя по-другому, а затем повторили его 300 раз на случайно отобранных данных, чтобы проверить, не является ли результат случайностью. Тот же узкий диапазон наблюдался независимо от того, анализировались ли все образцы вместе, только австралийский полевой шпат или только образцы неавстралийского происхождения.

Исследователи интерпретируют это изменение как свидетельство того, что Земля стала лучше перерабатывать свою земную кору, и новые породы стали образовываться все чаще вдоль краев тектонических плит, а не во внутренних районах континентов, как это происходит сегодня. Древние источники земной коры затем были бы унесены обратно в планету или отрезаны от процессов образования новых пород, оставляя старый рисунок практически без шансов проявиться в более молодых породах. Авторы называют это проверяемой гипотезой, а не окончательным выводом, и одних только данных по свинцу недостаточно, чтобы показать, какой именно механизм произвел это действие.

Другие данные указывают в том же направлении, включая изменения в типах образующихся горных пород и породы, демонстрирующие новые температурные режимы, начиная примерно с 2,8–2,7 миллиарда лет назад. Свинец выделяется тем, что его сигнал выглядит четким, в то время как другие химические признаки в породах, как правило, изменяются постепенно. Было обнаружено несколько исключений: более молодые граниты из России и трех участков в Австралии все еще несут признаки низкого содержания урана, что указывает на то, что остатки древнего источника сохранились под некоторыми регионами.

До сих пор не доказано, включилась ли в тот момент современная система переработки отходов. Но любое объяснение того, как формировалась ранняя Земля, теперь должно учитывать закономерность, которая сохранялась более миллиарда лет, а затем в значительной степени прекратилась примерно через 120 миллионов лет.