Намагниченность древнейших на Земле зерен циркона оказалась вторичной
Магнитное поле, защищающее поверхность Земли от космического излучения, возникло у нашей планеты на самом раннем этапе ее эволюции. Но точно сказать, когда это произошло, очень трудно, так как от этого этапа геологической истории практически не осталось материальных свидетельств. Ученые из Великобритании и США изучили древнейшие минеральные образования на Земле — зерна циркона возрастом более четырех миллиардов лет. Изначально в этих зернах была зафиксирована остаточная намагниченность. Однако более детальные исследования показали, что магнитная фаза в древнейших минералах вторичная, то есть возникла позже, чем сами кристаллы. Результаты исследования опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Цирконы из Джек Хиллс в Западной Австралии — самые древние из известных минеральных образований на Земле. Их возраст по радиометрическим данным составляет от 4 до 4,4 миллиарда лет, что относится к катархейской (гадейской) эре — древнейшей эре в геологической истории планеты, охватывающей период от начала образования Земли за счет концентрации космического материала (около 4,6 миллиарда лет назад) до времени образования древнейших из известных на Земле пород (около четырех миллиардов лет). Как следует из самого определения катархея, как таковых пород, относящихся к этому времени, на Земле не сохранилось. Начавшая формироваться в катархее первичная литосфера, позднее, в архейское время, когда вся поверхность Земли покрылась магматическим океаном, была полностью переработана и погрузилась в расплавленную верхнюю мантию. Единственными вещественными свидетельствами катархейской эпохи являются зерна цирконов, которые когда-то входили в состав магматических пород катархейской литосферы, а затем, после переработки последних, были переотложены в осадочных породах архейского возраста. В частности, катархейские цирконы из Джек Хиллс присутствуют в метаморфизованных конгломератах архейского возраста (2,65-3,05 миллиарда лет).
Для того, чтобы получить информацию об условиях, существовавших на планете на самом раннем этапе ее эволюции, ученые изучают микровключения в зернах катархейского циркона. Задачей исследования, которое провела группа английских и американских исследователей во главе с Фэнцзай Тан (Fengzai Tang) из Кембриджского университета, было выяснить, присутствуют ли внутри зерен из Джек Хиллс включения магнитных минералов, и можно ли по этим включениям сделать вывод относительно существования в катархейское время у Земли магнитного поля. Так как наличие магнитного поля, защищающего поверхность планеты от космического излучения, является важным фактором, обеспечивающим возможность возникновения жизни на Земле, очень важно понять, когда именно возник этот «магнитный щит». Фиксация признаков магнитного динамо в древних минеральных образованиях позволила бы также точнее определить время формирования земного ядра и атмосферы.
На сегодняшний день древнейшими (3,45 миллиарда лет) породами, в которых зафиксирована первичная намагниченность, являются породы зеленокаменного пояса Барбертон в Южной Африке и породы кратона Пилбара в Западной Австралии. Исследование, о котором идет речь, является первой попыткой обнаружить признаки намагниченности в более древних минеральных образованиях.
С помощью метода просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения ученым удалось обнаружить в зернах циркона микровключения магнетита, однако все эти включения, как выяснилось, имеют вторичную природу, то есть образовались намного позже самих кристаллов циркона. Скорее всего, магнитная фаза формировалась в процессе распространении атомов железа внутри кристаллов циркона в результате диффузии, используя дефекты кристаллической решетки, возникающие в результате радиационных процессов, а также при низкотемпературной перекристаллизации нарушенных кристаллов в присутствии водных флюидов. Такого рода микротрещины и дислокации кристаллической решетки были обнаружены исследователями вблизи всех скоплений магнитной фазы внутри изученных кристаллов циркона.
Несмотря на то, что исследователям не удалось однозначно подтвердить или опровергнуть факт наличия магнитного поля Земли в доархейское время, работа имеет важное научное значение, указывая на вторичную природу магнитных свойств зерен катархейского циркона из Джек Хиллс. О наличии таких свойств писалось ранее, но природа магнетизма зерен циркона до последнего времени была неизвестна, теперь же ясно, что намагниченность зерен вторична.
Владислав Стрекопытов
Ученые опознали его по повышенному микроволновому излучению
Изучив данные орбитальных наблюдений, планетологи предположили, что в районе ториевой аномалии Комптон—Белькович на обратной стороне Луны под поверхностью располагается крупный гранитный массив. Диаметр его на 20-километровой глубине может достигать 53 километров, а близко к поверхности составляет около 13 километров. Основой для построения модели, которая согласуется с гравитационными данными, послужили микроволновые измерения над областью Комптон—Белькович. Об исследовании сообщает статья в журнале Nature. Гранит и сходные с ним по условиям образования и составу породы (тоналиты, гранодиориты, граносиениты) объединяют в группу гранитоидов. Это кислые (то есть обогащенные кремнеземом SiO2) полнокристаллические породы, которые формируются в толще земной коры в результате медленного застывания магматических внедрений ― интрузий. Если же происходит извержение, из быстро остывающих кислых лав образуются неполнокристаллические или стекловатые породы кислого состава. Возникновение резервуара кислой магмы ― источника гранитоидной интрузии ― происходит, как полагают ученые, за счет фракционной кристаллизации мантийного расплава, внедряющегося в кору, либо переплавления осадочно-метаморфических коровых пород, которые нагревает подстилающий их очаг такого расплава. На Земле эти процессы протекают активно благодаря наличию воды и действию механизма тектоники плит ― эти факторы способствуют плавлению и переработке материала коры и верхней мантии. На нашей планете кислые породы чрезвычайно распространены. Наличие их на других телах Солнечной системы фиксируется лишь по косвенным данным или в виде редких находок в образцах грунта. Так, в зернах лунного реголита из Океана Бурь, доставленного экспедицией «Аполлон-12», исследователи нашли сростки кремнезема и калиевого полевого шпата и интерпретировали их как следы кислого вулканизма. Дистанционные исследования также показали, что на Луне в прошлом происходили извержения кислых лав. Планетологи обнаружили их признаки, анализируя данные гамма-спектрометрии, полученные с помощью аппарата Lunar Prospector, в разных областях Океана Бурь (в окрестностях кратеров Ханстен, Меран и Груйтуйзен), в районе кратера Лассел в Море Облаков. В этих районах были зарегистрированы аномалии содержания тория ― одного из так называемых несовместимых элементов. Высокая концентрация тория говорит о том, что исходная магма претерпела фракционную дифференциацию и проэволюционировала до кислого состава, так как из-за высокого ионного потенциала торий с затруднением включается в кристаллическую решетку минералов и накапливается в магматическом расплаве. Область размерами около 40 × 75 километров с наиболее обогащенными торием породами (с концентрацией до 26 миллионных долей против максимум двух миллионных долей в лунных базальтах) располагается на обратной стороне Луны, между кратерами Комптон и Белькович к северо-востоку от Моря Гумбольдта. Предполагается, что реголит здесь содержит вулканический пепел. На участке площадью примерно 25 × 30 километров фотометрическим методом были обнаружены высококремнеземистые породы, а центральная часть аномалии Комптон—Белькович ― это окруженная куполами равнина диаметром около 15 километров, возможно, кальдера обрушения древнего вулкана. Однако все эти результаты ограничиваются идентификацией признаков вулканизма на поверхности и не позволяют с уверенностью строить глубинные модели лунных недр под аномалией Комптон—Белькович. Американские исследователи во главе с Мэтью Зиглером (Matthew A. Siegler) из Планетологического института в Тусоне привлекли для изучения аномалии Комптон—Белькович данные микроволновой радиометрии, полученные китайскими орбитальными станциями «Чанъэ-1» и «Чанъэ-2», работавшими на разных высотах. Ученые рассчитали на их основе величину теплоотдачи с учетом суточных колебаний и сопоставили полученный результат с данными инфракрасных измерений, выполненных аппаратом Lunar Reconnaissance Orbiter. Это позволило вычесть долю энергии, которую привносит в общий фон солнечный нагрев, и получить распределение собственного излучения с лунной поверхности в районе аномалии. Оказалось, что область Комптон—Белькович выделяется на общем фоне отчетливой положительной температурной аномалией около девяти кельвин. Чтобы рассчитать, как распределяются температуры на разных глубинах в районе Комптон—Белькович, планетологи использовали данные о вариациях микроволнового излучения на разных частотах (более низкие частоты несут энергию с больших глубин). Кроме того, Зиглер с коллегами оценили диэлектрические свойства лунных пород, ответственные за рассеяние тепла в толще коры. На Луне диэлектрические потери существенно ниже, чем на Земле, из-за сухости пород, и это дает возможность проводить микроволновое зондирование на больших глубинах. Расчеты показали, что для обеспечения наблюдаемого на аномалии Комптон—Белькович теплового потока величиной 180 милливатт на квадратный метр требуется слой породы, содержащей 26 миллионных долей тория, мощностью не менее 50 километров. Поэтому приближенные модели подстилающего область Комптон—Белькович гранитного интрузивного массива ― источника радиогенного излучения ― ученые строили из двух элементов. Диаметр верхней части массива предполагался в пределах 10–20 километров (ограничение на него накладывает топография района), нижний ― 45–60 километров. Такие крупные интрузии ученые называют батолитами. Всего было построено 176 комбинаций из этих двух частей; каждую из них рассмотрели с тремя различными профилями плотности по глубине, построенными на основе гравитационных измерений по программе GRAIL, и соответствующей им теплопроводностью. Наиболее предпочтительной оказалась модель, в которой верхняя часть интрузии диаметром около 13 километров залегает на глубине от 1,0 до 7,5 километра; концентрация тория в ней может доходить до 132 миллионных долей. По-видимому, в прошлом оно было вулканическим очагом. Ниже его залегает гораздо более крупное и, вероятно, менее радиогенное интрузивное тело, служившее промежуточным резервуаром, в котором магма дифференцировалась в меньшей степени. Поперечник этого тела оценивается в 53 километра, а толщина ― в 26,5 километра. Неясно, как могла развиться столь крупная многоступенчатая магматическая система. Зиглер и его коллеги указывают несколько возможных факторов ее образования: долгоживущий высокотемпературный источник подогрева (например, мантийный плюм); аномально высокая локальная концентрация воды; глубоко залегавший слой пород, богатых радиоактивным изотопом калия 40K (так называемые KREEP-породы) и способных к повторному плавлению за счет саморазогрева. Но, что бы ни послужило причиной возникновения гранитного массива под областью Комптон—Белькович, любой из сценариев подразумевает наличие крупномасштабных неоднородностей в составе мантии или коры во время формирования Луны. Ранее N + 1 сообщал о том, что базальтовые породы на поверхности Луны содержат больше воды, чем реголит, и о том, как планетологи нашли признаки текущей вулканической активности на Венере. А еще мы рассказывали, как ученые обнаружили следы взрывного извержения кислой магмы, случившегося в древности на Марсе.