Глобальный океан древней Земли появился благодаря высокотемпературной мантии
В раннем архее, от 4,0 до 3,2 миллиарда лет назад, поверхность Земли, по-видимому, была практически полностью покрыта глобальным океаном. К такому выводу пришли ученые на основе расчета зависимости между температурой мантии и темпами ее дегидратации, служившей главным источником образования Мирового океана. Более горячая, чем сегодня, мантия раннеархейской Земли активно теряла связанную в породах воду, в результате чего баланс водного обмена между недрами и поверхностью планеты был сдвинут в пользу увеличения объемов океана, сообщает статья в журнале AGU Advances.
Вода вошла в состав вещества примитивной Земли еще на стадии аккреции и, по-видимому, сразу начала поступать на поверхность в ходе дегазации, сопровождавшей гравитационную дифференциацию недр. Благодаря этому процессу на планете сформировались первичная атмосфера и океан. После того как начал действовать механизм тектоники плит, вода через зоны субдукции стала попадать обратно в мантию, и за счет регидратации мантийных пород объем океана уменьшился.
Оценка величины эвстатических (глобальных и медленных) колебаний уровня океана показала, что по крайней мере на протяжении фанерозойского эона (от 543 миллионов лет назад до настоящего времени) количество воды на поверхности Земли оставалось приблизительно постоянным. Однако в более ранние эпохи оно могло существенно отличаться от современного. Косвенно на это указывают исследования изотопного состава серпентинизированных, то есть подвергшихся гидратации, пород океанического дна раннеархейского (3,8 миллиарда лет) возраста. Древний океан был обеднен дейтерием на 25 ± 5 промилле по отношению к современному, и для того чтобы фракционирование изотопов водорода в процессах континентального роста и субдукции привело к нынешнему содержанию тяжелой воды, океан ранней Земли должен был быть примерно на 26 процентов больше по объему.
При этом, как показало одно из недавних исследований, вода, попадающая в мантию при субдукции, концентрируется главным образом на глубинах от 410 до 660 километров — в переходном слое, состоящем в основном из вадслеита и рингвудита — высокобарических модификаций оливина (Mg,Fe)2SiO4. На границе нижнего слоя при давлении около 24 гигапаскалей рингвудит переходит в бриджманит (Mg,Fe)SiO3, способность которого к аккумуляции воды гораздо ниже.
Группа исследователей во главе с Цзюньцзе Дунем (Junjie Dong) из Гарвардского университета оценила, как изменялась способность главных компонентов мантии к удержанию воды в зависимости от температуры. Согласно современным моделям ранней эволюции Земли, в начале архея (4,0–3,2 миллиарда лет назад) мантия была горячее, чем в настоящее время. В качестве показателя в этих моделях берется так называемая потенциальная температура — величина, характеризующая температуру мантийного вещества на средней глубине, адиабатически (то есть без теплообмена с окружающей средой) охладившегося при подъеме на поверхность, в условия атмосферного давления. Потенциальная температура современной мантии составляет около 1600 кельвин, а в раннем архее она могла достигать 1800–2000 кельвин, и мантийные минералы удерживали воду хуже.
Насколько хуже, показали расчеты, выполненные учеными на основе экспериментальных данных о фазовом поведении главных компонентов мантии, дополненных результатами моделирования для бриджманита и других составляющих нижней мантии. Объединив данные об условиях плавления, при котором происходит высвобождение связанной воды, исследователи построили модель водоаккумулирующей способности вещества в глубоких недрах Земли. В этой модели максимальное количество воды, которое могут удерживать минеральные ассоциации в мантии, представляет собой функцию потенциальной температуры: чем она выше, тем меньше воды связывается в веществе. Главная роль в регуляции содержания воды принадлежит бриджманиту, составляющему более половины массы всей мантии.
Согласно расчетам Цзюньцзе Дуня и его коллег, породы мантии в настоящее время аккумулируют от 1,86 до 4,41 массы современного Мирового океана, которая определена примерно в 1,335 × 1021 килограмм. Большой разброс верхней и нижней границ в оценке содержания воды связан с недостаточно точными данными по бриджманиту; статистическая медиана оценки составляет 2,29 масс океана. Если принять, что в раннем архее мантия была на 300 градусов горячее, чем сейчас, она могла удерживать лишь 0,52–1,69 масс океана (при медиане 0,72). Высвобождаемая вода — от 1,19 до 1,56 масс океана — в основном поступала на поверхность Земли (некоторая часть ее могла оставаться в мантийных расплавах).
Насколько планета напоминала «водный мир», зависит от степени развития прото-континентальных массивов раннего архея, то есть от их площади и высоты. В рамках построенной исследователями модели наиболее вероятна ситуация, когда водой была покрыта практически вся поверхность, за исключением немногих возвышенных участков. Хотя геологические записи раннего архея редки, они согласуются с картиной глобального или чрезвычайно обширного океана. Так, данные изотопных исследований показывают, что практически все крупные вулканические провинции этого периода были подводными.
Следствием существования глобального океана, по мнению авторов модели, могла стать активная гидратация примитивной океанической литосферы, способствовавшая возникновению тектоники плит. Альбедо Земли, поверхность которой скрывалась под плотной облачной атмосферой, насыщенной водяными парами, должно было быть достаточно высоким, что уже в середине архея привело к снижению температуры на поверхности.
Ранее ученые связали континентальный внутриплитный вулканизм с накоплением воды в переходной зоне мантии в результате субдукции, обнаружили признаки мощного магнитного поля на самой ранней стадии существования Земли, а также выяснили, насколько пригодными для жизни могут быть водные миры.
Об этом геологам рассказали повторные датировки пород из богатейшего месторождения розовых алмазов
Геологи уточнили возраст и определили условия формирования австралийского алмазоносного месторождения Аргайл. Лампроитовая трубка, которая до 2020 года была главным мировым источником редких и ценных розовых алмазов, образовалась 1,31–1,26 миллиарда лет назад. Это произошло во время распада древнего суперконтинента Нуна на одном из участков континентального рифтинга, где происходило растяжение литосферы, сообщает статья в журнале Nature Communications. Месторождение Аргайл в округе Кимберли (Западная Австралия) представляет собой систему сросшихся диатрем ― трубкообразных каналов, образованных прорывом вулканического газа. В отличие от других богатых алмазоносных месторождений, трубка Аргайл заполнена не кимберлитами, а ультраосновными лампроитовыми породами. Внедрения в кору высокощелочных лампроитовых магм встречаются и на древних платформах, и в складчатых поясах, тогда как кимберлитовые интрузии характерны для платформенных обстановок. Месторождение Аргайл располагается в зоне древнего складчатого пояса Холлс-Крик на краю кратона Кимберли, и геологи полагают, что этот пояс сформировался приблизительно 1,837–1,808 миллиарда лет назад. Как правило, лампроитовые трубки взрыва не несут большого количества алмазов, но Аргайл ― это исключение. До прекращения разработки в 2020 году месторождение давало в среднем восемь миллионов карат (1600 килограмм) ежегодно. Около пяти процентов добычи составляли камни ювелирного качества, и среди них ― чрезвычайно редкие и ценные розовые и красные алмазы. Аргайл обеспечивал свыше 90 процентов мировой добычи этих камней. Своей окраской они обязаны дефектам структуры кристаллов из-за пластических деформаций, которые могли возникать при воздействии различных тектонических факторов. Однако происхождение лампроитовой диатремы, возраст которой геологи оценивали в 1126 ± 9 миллионов лет, до сих пор оставалось неясным. Чтобы выяснить историю формирования этого необычного месторождения, Хьюго Олирук (Hugo K. H. Olierook) из Университета Кёртина в Перте совместно с коллегами из Австралии, Великобритании и Китая предприняли повторное датирование лампроитов в алмазосодержащем керне из трубки Аргайл уран-свинцовым методом. С помощью масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой с лазерной абляцией были проанализированы включения обломочного циркона и обломочного апатита для определения максимального возраста пород, а также включения гидротермального титанита, что позволило установить минимальный возраст. Дополнительно титанит был датирован с применением масс-спектрометрии с термической ионизацией в сочетании с изотопным разбавлением, а циркон и апатит проанализировали уран-торий-гелиевым методом. Для образцов апатита, который кристаллизовался в глубинном магматическом очаге, ученые получили распределение датировок в пределах 1900–1820 миллионов лет назад. Средневзвешенное значение возраста самых молодых образцов составило 1828 ± 6 миллионов лет. Анализы зерен обломочного циркона дали основной пик на отметке времени 1870 миллионов лет назад. Эти результаты позволяют судить о том, когда начали формироваться лампроиты Аргайл. Наиболее молодые цирконы имеют возраст 1311 ± 9 миллионов лет. Эта дата ― самый ранний момент, когда могло произойти внедрение магмы в трубку взрыва. Верхнюю хронологическую границу этого события дает датировка гидротермального титанита, который образовался в конечной стадии кристаллизации магмы, вскоре после ее внедрения в трубку: 1257 ± 15 миллионов лет назад. Таким образом, трубка Аргайл оказалась более чем на 100 миллионов лет старше, чем считалось ранее. Авторы исследования сопоставили полученные результаты с реконструкцией тектонической обстановки, построенной с учетом палеомагнитных данных. Около 1,8 миллиарда лет назад сформировался суперконтинент Нуна (Колумбия), и приблизительно в это же время возникает складчатый пояс Холлс-Крик. Источником мощных пластических деформаций, породивших розовые алмазы месторождения Аргайл, могли стать коллизионные процессы, которыми сопровождалась сборка Нуны. Суперконтинент распался около 1,3–1,2 миллиарда лет назад, и, по-видимому, именно с распадом Нуны было связано образование алмазоносной лампроитовой трубки. Она возникла в результате ослабления литосферы на участке континентального рифтинга на северо-восточной окраине Нуны, где в то время располагался древний Австралийский континент, причем растяжение шло по старому «шву» между плитами. В ослабленную зону устремились вулканические газы, а затем трубку взрыва заполнила лампроитовая магма, обогащенная розовыми алмазами. Олирук и его коллеги полагают, что предложенный ими сценарий не уникален. Связь между процессами распада суперконтинентов и возникновением алмазоносных месторождений уже отмечалась геологами ― например, распад Нуны и последовавший вскоре после него пик кимберлитового магматизма в Южной Африке. Однако значение этого явления оставалось недооцененным. По-видимому, активизация тектонических процессов и вызванные ею локальные растяжения литосферы закономерно влекут за собой дестабилизацию летучих компонентов мантийного вещества с последующим быстрым подъемом богатых летучими мантийных расплавов. Ранее N + 1 рассказывал о том, как результаты анализа цирконов снизили роль тектоники плит в формировании суперконтинента Нуна, а также о том, что крупнейший за последние три века розовый алмаз был найден в Анголе.