Лабораторные эксперименты позволили объяснить, как образовалась первая континентальная кора на Земле и, возможно, на Марсе.
Материковая кора Земли, на которой живут миллиарды людей, а также бесчисленное множество наземных животных и растений, отличается преимущественно кислым составом. То есть эта кора содержит большое количество кремния, кислорода, алюминия и щелочных металлов, таких, как натрий и калий, и в основном состоит из минералов кварца и полевого шпата. На поверхности Земли обнаружена кислая континентальная кора возрастом 4 млрд лет, и мы знаем, что она была связана с базальтовой океанической корой, состоящей из минералов, богатых кальцием, магнием и железом, таких как плагиоклазовый полевой шпат, оливин и пироксены. Но самая ранняя твердая оболочка планеты — ее первичная кора, которая кристаллизовалась из магматического океана, покрывавшего зарождающуюся Землю около 4,5 млрд лет назад, — вероятно, выглядела совсем иначе (Borisova & Nedelec, 2021).
Когда и как образовалась первая кислая кора — вот вопросы, над которыми исследователи размышляли десятилетиями. К сожалению, остатком гадейского эона, т. е. первых 500 млн лет существования Земли, является лишь горстка микроскопических цирконов, акцессорных минералов, встречающихся в кислых породах в нескольких местах по всему миру. Таким образом, при почти полном отсутствии пород ранней земной коры ученым пришлось строить свои гипотезы на основе косвенных данных.
Недавно наша исследовательская группа завершила лабораторные эксперименты и численное моделирование, которые выявили возможный механизм образования кислых пород, ответственный за создание первой континентальной коры планеты на Земле более 4 млрд лет назад.
Континентальная кора на протяжении веков
Современная континентальная кора образована магматизмом в вулканических дугах над зонами субдукции, такими, как Алеутская дуга на Аляске, Идзу-Бонин-Марианская дуга в западной части Тихого океана и Анды в Южной Америке. Поскольку вода в погружающейся океанической плите (коре и мантии) выделяется под действием высокой температуры на глубине (50–100 км от поверхности), она способствует частичному плавлению вышележащих мантийных пород (например, перидотитов). Расплавы затем поднимаются на поверхность, где взаимодействуют с существующей корой, охлаждаются и затвердевают под землей или извергаются вулканами. В результате образовывается новая континентальная кора от диоритового до тоналитового состава. Этот процесс эффективно работает по крайней мере в течение последних 2,5 млрд лет.
До этого, в архее (начиная с 4 млрд лет назад), когда Земля была более горячей, чем сейчас, континентальная кора формировалась непосредственно в результате частичного плавления гидратированной океанической коры в «вертикальных каплях» базальтовой коры до начала тектоники плит около 3,2 млрд лет назад или впоследствии в зонах субдукции (Shirey and Richardson, 2011; Gerya, 2019). Архейская континентальная кора состоит из тоналитов, трондьемитов и гранодиоритов (TTG): кислых пород с более высоким содержанием натрия, чем современная континентальная кора. Однако природа и генезис континентальной коры в самом отдаленном прошлом Земли — во времена гадея, более 4 млрд лет назад, — остаются загадкой.
Было предложено много гипотез для объяснения образования кислой цирконсодержащей коры в гадее, но до сих пор ни одна из них не была достаточно убедительной. Некоторые исследователи отдают предпочтение контексту, в котором образование кислой коры было очень похоже на то, что происходит на современной Земле (Harrison, 2020), тогда как другие считают, что всё это напоминало процессы, происходившие в архее. Эти исследователи полагают, что исходные магмы гадейских цирконов образовались на глубинах 30–50 км от протолита (базальтовой протокоры), ранее взаимодействовавшего с жидкой водой (Drabon et al., 2021).
Faltys and Wielicki (2020) предположили, что в формировании первой кислой континентальной коры решающую роль сыграл магматизм, вызванный ударами метеоритов, однако гораздо чаще сейчас говорят о ранней тектонике плит, хотя данные исследований геохимического и геодинамического моделирования показывают, что современная тектоника плит началась лишь примерно 3,2 млрд лет назад.
Непреднамеренное открытие
Наша исследовательская группа, состоящая из французских, российских, немецких и американских ученых, не ставила перед собой задачу выяснить, как образовалась первая континентальная кора. Вместо этого мы изучали взаимодействия между твердыми породами, магмой и флюидами под океаном, чтобы объяснить происхождение границы перехода «океаническая мантия — кора» и прилегающих пород верхней мантии (хромитита, дунита и гидратированных перидотитов, т. е. серпентинита). Эта переходная граница играет решающую роль в управлении химическим составом и физическими свойствами океанического магматизма и земной коры.
Наиль Загртденов, аспирант Лаборатории геонаук по окружающей среде в Тулузе (Университет Тулузы III) во Франции, проводил лабораторные эксперименты под руководством Анастасии Ю. Борисовой и Майкла Дж. Топлиса. Эти эксперименты были разработаны для воспроизведения приповерхностных условий и процессов, происходящих на границе мантии и земной коры примерно в 6 км ниже современных океанических спрединговых центров.
В этих экспериментах изучалось взаимодействие базальтовых расплавов с различной долей серпентинитовой породы при температурах 1250–1300 °C и давлениях от 0,1 до 0,2 ГПа (Borisova et al., 2021, 2022). Серпентинит, который обычно образуется на океанических хребтах, формируется в результате гидротермального изменения перидотита — ультраосновной породы, которая составляет большую часть верхней мантии Земли.
Результаты эксперимента нас удивили. Как и ожидалось, мы увидели образование хромитита и дунита при давлении 0,2 ГПа. Однако мы также наблюдали кислые расплавы — исходный материал для континентальной коры, — формирующиеся среди плотных, темных, богатых оливином серпентинизированных перидотитов. Образование кислых расплавов из гидратированных перидотитов в таких неглубоких условиях было новым наблюдением, и мы начали думать, что непреднамеренно воспроизвели условия, преобладавшие более 4 млрд лет назад. Возможно, мы наткнулись на объяснение образования ранней кислой коры.
Для дальнейшего исследования мы продолжили наши эксперименты, смоделировав те же условия с помощью термодинамического численного моделирования. Это моделирование подтвердило, что кислые расплавы могут быть получены из тех же исходных материалов и остаются стабильными при давлении от 0,1 до 0,2 ГПа (глубина 3–6 км). Совместив результаты лабораторных исследований и моделирования, наша междисциплинарная группа французских, российских, немецких и американских исследователей пришла к выводу, что мы установили ингредиенты, а также физические и химические условия, необходимые для образования самой первой кислой коры на Земле и, возможно, на Марсе (Borisova et al., 2021).
Новая модель ранней коры
Публикация наших данных и интерпретаций была довольно сложной. Действительно, эти результаты оказались совершенно новыми, и некоторые исследователи отнеслись к ним скептически. Большинство предыдущих гипотез предполагало, что первая континентальная кора напоминала либо современную континентальную кору, либо архейскую континентальную кору с точки зрения процессов и условий ее образования. Условия и ингредиенты наших экспериментов, а также кислые расплавы, которые они произвели, предполагают совершенно другой сценарий.
Наша модель утверждает, что жидкая вода существовала на ранней поверхности Земли (Valley et al., 2002). Представление о том, что протолит магм, из которых кристаллизовались гадейские цирконы, ранее взаимодействовал с жидкой водой, принимается на основании изотопно-кислородных данных этих цирконов (Mojzsis et al., 2001). Однако рассмотрение гидратированного перидотита в качестве возможного протолита является новым предложением (рис. 1).
Магматический океан молодой планеты должен был иметь тот же перидотитовый состав, что и мантия. Когда магматический океан остыл и закристаллизовался, тонкая перидотитовая протокора могла остаться на поверхности океана, в то время как газы, включая водяной пар, были дегазированы из магмы. Эти газы создали примитивную атмосферу, из которой жидкая вода конденсировалась в гидросферу. Примитивная перидотитовая кора быстро взаимодействовала с жидкой водой, образуя серпентиниты (Albarède and Blichert-Toft, 2007). Эта возможность не удостоилась особого внимания со стороны исследователей, которые обычно предполагают, что протокора гадея была базальтовой, сравнимой с современными поверхностями астероидов и протопланет.
В нашей модели базальтовые магмы должны были образоваться как последние дифференцирующиеся жидкости, оставшиеся в самом конце кристаллизации магматического океана, а затем локально внедриться и смешаться с самой верхней серпентинизированной корой. Взаимодействие между магмой и материалом протокоры должно было вызвать дегидратацию серпентинизированного перидотита. Впоследствии перидотит должен был частично расплавиться, чтобы образовать кислые расплавы на небольшой глубине, как мы наблюдали в наших экспериментах. Затем эти расплавы должны были остыть, образовав первую кислую кору (рис. 1). Частые удары метеоритов в гадее могли способствовать этому смешиванию и взаимодействию за счет трещин, нагрева и содействия конвекции воды через частичное плавление протокоры.
Мы видим свидетельства образования таких кислых пород в природе. Например, кислые (плагиогранитные) породы обнажаются в настоящее время среди гидратированных пород перидотитовой мантии в Семаильском офиолите в Омане, образовавшемся на глубине менее 10 км от поверхности (рис. 2).
Дальнейшие исследования
Сценарий взаимодействия серпентинизированных пород и базальтовых магм предлагает простой и эффективный механизм, который, по нашему мнению, хорошо объясняет происхождение кислой коры гадея по нескольким причинам. Во-первых, это требует существования неглубокой жидкой воды на ранней земной поверхности (рис. 1). Во-вторых, он включает вероятные неглубокие взаимодействия между гидратированным перидотитом и базальтовыми расплавами, возникающие в результате неглубокого магматизма или ударного плавления. В-третьих, в соответствии с существующими геодинамическими моделями для гадея не требуется тектоники плит. Кроме того, наши экспериментальные кислые расплавы могут кристаллизовать низкотемпературные цирконы, очень похожие на наблюдаемые детритовые цирконы гадея (Borisova et al. 2022).
Для развития этой модели и понимания происхождения первой планетарной континентальной коры мы планируем провести дальнейшие эксперименты, связанные с градиентами давления и моделированием ударных процессов. Данная работа необходима для изучения процессов дегидратации минералов и канализации расплава, происходящих при ударных процессах, просачивании расплава и переуравновешивании просачивающегося расплава с гидратированным перидотитом. Такая работа должна расширить применимость наших экспериментальных результатов на явления, происходящие на протяжении всего эона гадея, и поможет разработать нашу новую модель первичных процессов, происходящих на ранней Земле и Марсе.
Мы также планируем новые эксперименты по воспроизведению условий на Марсе и изучаем, могут ли наши результаты быть связаны с процессами, происходившими на соседней планете. Как и Земля, ранний Марс имел воду на своей поверхности спустя некоторое время после кристаллизации первичной коры из океана магмы. Важно отметить, что состав наших экспериментальных кислых расплавов аналогичен составу кислых пород, обнаруженных Curiosity на Марсе (Sautter et al., 2015). Таким образом, представляется целесообразным сравнить условия на двух планетах.
Текущие исследования Марса могут помочь подтвердить и дополнить нашу гипотезу о ранней эволюции каменных планет. Новые сейсмические данные с посадочного модуля InSight (Внутреннее исследование с использованием сейсмических исследований, геодезии и переноса тепла) в сочетании с моделированием земной коры и термальным моделированием, основанным на данных InSight, предоставили новую информацию о глубине и структуре марсианской коры (Knapmeyer-Endrun et al., 2021). Проведенный на данный момент анализ показывает, что относительно слабое гравитационное поле Марса, которое лишь примерно на 40% слабее земного, позволяет предположить, что ранняя кислая кора на планете могла располагаться глубже, чем на Земле, — на глубине 25–30 км по сравнению с земной. Соответствующая кислая кора Гадея образовалась на глубине менее 10 км на Земле.
Нам еще многое предстоит узнать о ранних процессах и условиях образования земной коры на Земле и Марсе. Но описанный здесь механизм может представлять собой наиболее правдоподобную идею о том, как образовались большие объемы первой кислой коры, отвечая на вопрос науки о Земле, которому уже несколько десятилетий.
Благодарности
Исследования мантийного разреза оманского офиолита поддерживаются Национальным центром научных исследований (INSU-CNRS) в рамках гранта PLAGIOGRAN2021–2023.
Анастасия Ю. Борисова,
Институт геологических и экологических наук, GET, г. Тулуза, Франция, геологический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова
Анна Неделек,
Институт геологических и экологических наук, GET, г. Тулуза, Франция
Олег Мельник,
член-корр. РАН, Институт механики МГУ им. М. В. Ломоносова
Литературные ссылки
Albarède F., and Blichert-Toft J. (2007), The split fate of the early Earth, Mars, Venus and Moon, C. R. Geosci., 339, 917–927, doi.org/10.1016/j.crte.2007.09.006.
Borisova A.Y., Nédélec A. (2021). A simple recipe for making the first continental crust, Eos, 102, doi.org/10.1029/2021EO210585.
Borisova A. Y., et al. (2021), Hydrated peridotite — basaltic melt interaction. Part I: Planetary felsic crust formation at shallow depth, Front. Earth Sci., 9, 640464, doi.org/10.3389/feart.2021.640464.
Borisova A. Y., et al. (2022), Hadean zircon formed due to hydrated ultramafic protocrust melting, Geology, 50 (3): 300–304, doi:10.1130/G49354.1.
Drabon N., et al. (2021), Heterogeneous Hadean crust with ambient mantle affinity recorded in detrital zircons of the Green Sandstone Bed, South Africa, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 118, e2004370118, doi.org/10.1073/pnas.2004370118.
Faltys J. P., and Wielicki M. M. (2020), Inclusions in impact-formed zircon as a tracer of target rock lithology: Implications for Hadean continental crust composition and abundance, Lithos, 376–377, 105761, doi.org/10.1016/j.lithos.2020.105761.
Gerya T. (2019), Geodynamics of the early Earth: Quest for the missing paradigm, Geology, 47, 1,006–1,007, doi.org/10.1130/focus102019.1.
Harrison T. M. (2020), Hadean Earth, Springer, Cham, Switzerland, doi.org/10.1007/978-3-030-46687-9.
Knapmeyer-Endrun B., et al. (2021), Thickness and structure of the Martian crust from InSight seismic data, Science, 373, 438–443, doi.org/10.1126/science.abf8966.
Mojzsis S. J., Harrison T. M., and Pidgeon R. T. (2001), Oxygen-isotope evidence from ancient zircons for liquid water at the Earth’s surface 4,300 Myr ago, Nature, 409, 178–181, doi.org/10.1038/35051557.
Sautter V., et al. (2015), In situ evidence for continental crust on early Mars, Nat. Geosci., 3, 605–609, doi.org/10.1038/ngeo2474.
Shirey S. B., and Richardson S. H. (2011), Start of the Wilson cycle at 3 Ga shown by diamonds from subcontinental mantle, Science, 333, 434–436, doi.org/10.1126/science.1206275.
Valley J. W., et al. (2002), A cool early Earth, Geology, 30, 351–354, doi.org/10.1130/0091-7613(2002)030<0351:ACEE>2.0.CO;2.
Загрузка...