Самая древняя земная кора образовалась при гравитационном перемешивании

Австралийские геологи провели датировку горных пород кратона Пилбара — самого древнего из известных участков земной коры — и благодаря этому уточнили механизм его образования. Оказалось, что формирование этого кратона произошло примерно 3,4 миллиарда лет назад в результате нескольких циклов гравитационного перемешивания длительностью около 100 миллионов лет каждый, пишут ученые в Nature Geoscience.

Известно, что в архее — от двух с половиной до четырех миллиардов лет назад — процессы движения земной коры довольно сильно отличались от современных. Если сейчас литосферные плиты двигаются за счет тектонических процессов в основном горизонтально, погружаясь одна под другую в области субдукционных зон, то в архее температура на планете была слишком высокой, часть горных пород земной коры находилась в расплавленном состоянии, поэтому движение земной коры определялось другими процессами, в первую очередь вертикальным перемешиванием. Несмотря на то, что именно эти процессы привели привели к формированию современных литосферных плит, материальных свидетельств о геологических процессах, происходивших с литосферой в катархее и раннем архее, практически не сохранилось. Одним из немногих источников информации служат самые старые кратоны — стабильные участки земной коры с основанием, сформировавшимся в архее. Сейчас на Земле несколько таких участков, расположенных в Индии, Южной Африке и Западной Австралии.

Для уточнения механизмов формирования современной земной коры австралийские геологи под руководством Даниэля Ваймера (Daniel Wiemer) из Квинслендского технологического университета изучили состав кратона Пилбара в западной Австралии — одного из двух самых старых участков земной коры. Его возраст составляет от 3,6 до 3,4 миллиардов лет, и в его состав входит три типа горных пород — основные и ультраосновные породы с преобладающим содержанием железа и магния, которые вместе образуют зеленокаменный пояс, и кислые магматические породы на основе гранита. Эти три слоя формируют периодическую купольно-килевую (dome-and-keel) структуру, в которой одни участки сменяются другими.

Предполагается, что к формированию такой структуры в раннем архее привел повторявшийся двухстадийный процесс вертикального перемешивания пород с длительностью одного цикла около 90–100 миллионов лет. Основным механизмом при этом считается развитие гидродинамической неустойчивости Рэлея—Тейлора, которая возникает на границе двух фаз разной плотности вследствие силы тяжести и разницы температур. В результате этого зеленокаменные породы протекают внутрь гранитных, формируя сначала отдельные «пальцеобразные» структуры, которые затем развиваются, сливаясь в более крупные устойчивые образования.

Именно эти процессы гравитационного перемешивания считаются одним из основных механизмов движения частично расплавленной земной коры в архее, однако до настоящего дня их не удавалось изучить количественно и провести их точную датировку. В проведенном исследовании геологи впервые достаточно точно определили время этих процессов, а также описали их с помощью термодинамической модели. Датировка отдельных участков горных пород кратона Пилбара с помощью изотопного анализа свинца и урана показала, что в этом случае один из циклов гравитационного перемешивания продолжался примерно 10 миллионов лет и окончился около 3,41 миллиарда лет назад. Это, например, привело к вертикальному переносу более старых гранитных пород вверх.

Исследователи отмечают, что для формирования современной земной коры потребовалось три цикла длительностью около 100 миллионов лет. Каждый из циклов включал в себя более короткие промежутки перемешивания в результате гравитационной неустойчивости длиной от 5 до 30 миллионов лет и более длинные паузы между ними длительностью около 75 миллионов лет, во время которых происходили локальные процессы старения породы, связанные с эрозией и вулканизмом. В результате этих трех циклов образовалась твердая литосферная плита, которая потом уже двигалась по современным тектоническим механизмам.

Ученые утверждают, что полученные ими результаты согласуются с данными, известными для других, более молодых кратонов в Африке и Индии. Предложенный геологами количественный механизм формирования земной коры может быть использован как в будущих полевых исследованиях, так и для моделирования геологических процессов на Земле. 

Горные породы кратона Пилбара — один из важных источников информации о геологическом состоянии Земли в архее. Например, изучение газовых пузырьков в базальтовых породах, найденных именно в Пилбаре, показало, что атмосферное давление на Земле около 2,5–3 миллиардов лет назад было почти в два раза ниже современного, что ученые связывают с низким содержанием азота.

Александр Дубов