Рис. 1. Общий вид Земли в раннем архее (Early Arhean) и сегодня (Present day). Рыжие пятна — протоконтиненты, сложенные породами, богатыми магнием и железом (mafic — «мафические» породы). Их расположение и форма — условные, рисунок отражает лишь общую идею о том, что площадь и толщина континентов были невелики. Зеленый цвет океана символизирует высокую концентрацию двухвалентного железа (Fe2+), растворенного в морской воде. Обозначения: UCC composition — состав верхней континентальной коры, Global plate tectonics — глобальная тектоника плит, Transition — переход, Felsic — «фельзические», богатые кремнием и алюминием горные породы. Рисунок из пресс-релиза к обсуждаемой статье в Science

Океаническая кора нашей планеты, как и поверхностный слой других планет земной группы, состоит в основном из богатых магнием тяжелых пород, таких как базальты, тогда как в верхней континентальной коре преобладают бедные магнием легкие породы, такие как граниты. Всегда ли состав континентов был таким же, как сейчас, определить трудно, потому что древние магматические породы избирательно разрушены эрозией, а из осадочных пород магний вымывается. Американские геохимики преодолели эту трудность, показав, что об исходном содержании магния в породе можно судить по соотношению других, невымываемых элементов: никеля, кобальта, хрома и цинка. Оказалось, что вплоть до 3 млрд лет назад континенты были сложены высокомагнезиальными породами, а в течение позднего архея (3,0–2,5 млрд лет назад) континенты быстро разрастались за счет формирования гранитов. Это свидетельствует о старте глобальной тектоники плит около 3 млрд лет назад, потому что для образования гранитов в мантию должно поступать много воды, что происходит при погружении океанической коры в мантию в зонах субдукции.

Содержание магния считается важнейшей характеристикой магматических горных пород. Породы, богатые магнием (а заодно, как правило, и железом), называют «мафическими» (mafic — от слов magnesium и ferric). Из мафических пород (базальтов) в основном сложена океаническая кора, которая постоянно образуется в рифтовых зонах вдоль срединно-океанических хребтов, расползается в стороны, а затем (спустя пару сотен миллионов лет) отправляется в мантию на переплавку, погружаясь под континентальные плиты в зонах субдукции.

Породы, бедные магнием, называют «фельзическими» (felsic, от слов feldspar — полевой шпат и silica — диоксид кремния). Фельзические породы, такие как граниты, легче мафических. Они составляют основу современных континентов, плавающих, как легкая пенка, на более плотных, вязких породах астеносферы.

Низкое содержание магния в верхней континентальной коре отличает земные континенты не только от океанической базальтовой коры, но и от других планет земной группы (Марса, Венеры, Меркурия, а также Луны), в поверхностных слоях которых много магния. Возможно, своеобразный состав земных континентов связан с другой уникальной особенностью нашей планеты, а именно с тектоникой плит. Дело в том, что граниты образуются при застывании магмы, содержащей много воды, а в зонах субдукции происходит постоянная закачка воды в мантию. У планет, не имеющих тектоники плит (а значит, и субдукции), толстые гранитные континенты не должны формироваться.

В какой момент в астеносфере началась устойчивая конвекция и стартовала тектоника плит — вопрос спорный. Одни геологи относят это событие к самому началу истории планеты (4,0–4,5 млрд лет назад), другие помещают его в сравнительно недавнее прошлое (0,8 млрд лет назад или даже позже), третьи склоняются к промежуточным датировкам. Чтобы решить этот вопрос, важно знать, были ли земные континенты низкомагнезиальными с самого начала или их гранитные толщи сформировались позже, а изначально континентальная кора имела иной состав.

Определить содержание магния в древней континентальной коре — технически сложная задача. К ее решению можно идти двумя путями, но оба сопряжены с трудноразрешимыми проблемами.

Рис. 2. Соотношения Ni/Co и Cr/Zn положительно коррелируют с содержанием оксида магния (MgO) в образцах древнейших архейских (синие линии) и более молодых пост-архейских (зеленые линии) магматических пород. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Во-первых, можно просто взять и измерить содержание магния в сохранившихся древних магматических породах. Однако то, что сохранилось, не является репрезентативной выборкой того, что было. Верхняя континентальная кора постоянно уничтожается эрозией, причем мафические породы могут разрушаться быстрее, чем фельзические.

Второй подход основан на анализе древних терригенных осадочных пород, которые формировались из крупинок разрушенных эрозией магматических пород. Терригенные осадки удобны тем, что представляют собой более репрезентативную выборку пород, слагавших древние континенты. Но здесь есть другая проблема: при формировании терригенных осадочных пород большая часть магния из них просто-напросто вымывается.

Геохимики из Мэрилендского университета (США) нашли красивое решение этой проблемы. Они обнаружили, что в магматических породах количество магния коррелирует с соотношениями четырех других, сравнительно редких элементов, которые не вымываются при формировании терригенных осадочных пород. Как выяснилось, чем больше в магматической породе магния, тем выше в ней соотношение никеля к кобальту (Ni/Co) и хрома к цинку (Cr/Zn). Эти соотношения определяются закономерностями фракционирования химических элементов при расслоении жидкой магмы. Данное правило работает как для самых древних (архейских), так и для более молодых пост-архейских магматических пород (рис. 2).

Обнаруженная закономерность позволяет судить об изначальном содержании магния в тех магматических породах, из крупинок которых сформировались терригенные осадочные породы, несмотря на то, что из последних значительная часть магния была вымыта.

Авторы использовали найденную зависимость для выяснения вопроса о составе древнейших континентов. Для этого они измерили соотношения Ni/Co и Cr/Zn в сотнях образцов разновозрастных тонкозернистых терригенных осадочных пород со всех концов Земли. Оказалось, что в древнейших породах возрастом 3,5–3,0 млрд лет эти соотношения максимальны, в породах позднего архея (3,0–2,5 млрд лет назад) они снижаются, и уже в начале протерозоя (2,5–2,0 млрд лет назад) достигают современных низких значений (рис. 3).

Рис. 3. Соотношения Ni/Co и Cr/Zn в тонкозернистых терригенных осадочных породах разного возраста. По горизонтальной оси — время формирования породы в млрд лет назад. На врезках — средние значения для разных эпох. Красные кружки — сланцы, оранжевые — диамиктиты (см.: Diamictite). Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Это значит, что вплоть до середины мезоархейской эры (длившейся от 3,2 до 2,8 млрд лет назад) верхняя континентальная кора состояла в основном из мафических пород — базальтов. Последние полмиллиарда лет архейского эона (конец мезоархея и неоархей, 3,0–2,5 млрд лет назад) представляли собой переходный период, в течение которого континенты разрастались за счет образования фельзических пород — гранитов.

Авторы рассчитали, сколько низкомагнезиальных пород должно было образоваться в течение позднего архея, чтобы «разбавить» древние базальтовые протоконтиненты до такого низкого содержания магния, которое характерно для континентальной коры с начала протерозоя и поныне. Получилось, что для этого требуется объем гранитов, как минимум в четыре раза превышающий объем раннеархейских протоконтинентов. Соответственно, континенты должны были значительно увеличиться и по площади, и в толщину. Их высота должна была дополнительно вырасти за счет того, что граниты легче базальтов и поэтому выше плавают в вязкой астеносфере.

То, что континентальная кора в течение позднего архея быстро нарастала, а континенты поднимались, было известно и ранее. В частности, считается, что это способствовало оксигенизации атмосферы в раннем протерозое. Цепочка причинных связей здесь следующая: подъем континентов привел к переходу от преимущественно подводного к преимущественно наземному вулканизму; это способствовало росту поступления в атмосферу оксидов серы, которые затем растворялись в воде и взаимодействовали с двухвалентным железом (Fe²⁺), что вело к осаждению железа в виде пиритов; в результате кислород, выделяемый цианобактериями, перестал расходоваться на окисление железа и начал накапливаться (см.: Новая модель связала образование земной коры, вулканы и кислород, «Элементы», 17.10.2011). Американские геохимики получили независимое подтверждение роста континентов в позднем архее, а главное, они показали, что вплоть до мезоархея континенты состояли не из низкомагнезиальных пород, как сегодня, а из высокомагнезиальных.

Как уже говорилось, для формирования гранитов магма должна содержать много воды. Самый очевидный способ попадания воды в мантию — это субдукция океанической коры, а субдукция –неотъемлемая часть тектоники плит. Таким образом, полученные результаты указывают на то, что тектоника плит существовала не с самого начала истории планеты, а стартовала примерно в середине архейского эона — 3 млрд лет назад или немного раньше. Это привело к ускоренному образованию гранитов и разрастанию континентов.

Статья американских геохимиков интересна еще и тем, что показывает, как крупные открытия могут рождаться из узкоспециальных и, казалось бы, малоинтересных изысканий. В данном случае прийти к важным выводам об истории планеты удалось исключительно благодаря тому, что молодой геохимик, аспирант Мэрилендского университета Мин Тан (Ming Tang), первый автор обсуждаемой статьи, обнаружил, что соотношения Ni/Co и Cr/Zn в магматических породах коррелируют с содержанием магния.

Источник: Ming Tang, Kang Chen, Roberta L. Rudnick. Archean upper crust transition from mafic to felsic marks the onset of plate tectonics // Science. 2016. V. 351. P. 372–375.

О глобальных преобразованиях в позднем архее — раннем протерозое см. также:
1) Новая модель связала образование земной коры, вулканы и кислород, «Элементы», 17.10.2011.
2) «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием, «Элементы», 02.03.2014.

Александр Марков

Рейтинг публикации:

4

Комментарии (0) | Распечатать

Добавить новость в: