Алюминий в цирконах указал на старт тектоники плит в раннем архее

Повышенное содержание алюминия в цирконах из древнейших пород Западной Австралии показало, что уже около 3,6 миллиарда лет назад они кристаллизовались на достаточно большой глубине, в условиях увеличения мощности коры. С этим явлением в истории ранней Земли связывают эпоху, когда в тектоническом режиме значимую роль стали приобретать горизонтальные процессы, связанные с зарождением механизма тектоники плит. По-видимому, этот переход происходил локально уже в начале архея, сообщает статья в журнале Geochemical Perspectives Letters.

Тектоника плит — это важная часть системы переноса тепловой энергии от горячих центральных областей Земли к поверхности. Благодаря тому, что земная литосфера состоит из динамичных блоков, теплоперенос в течение миллиардов лет носит стабильный характер, и на планете сохраняются условия, пригодные для развития сложных форм жизни. Тектоника плит участвует и в поддержании важных для существования биосферы глобальных геохимических циклов (например, углеродного).

Перемещение плит, увлекаемых мантийными конвекционными потоками, происходит за счет вязкого трения, а для образования самих плит, на которые восходящие потоки оказывали бы достаточное давление, необходима развитая твердая верхняя часть литосферы — кора. В противном случае движение мантийных потоков приведет лишь к упругим деформациям тонкого поверхностного слоя, и расчленения литосферы на плиты не произойдет. Именно так, по-видимому, выглядела древнейшая Земля: ее высокотемпературная мантия не обладала нужной вязкостью, а кора была слишком тонкой.

Увеличение мощности коры происходило неравномерно и началось, вероятнее всего, в раннем архее с формирования первых микроконтинентов. Датировки пород зеленокаменных поясов Барбертон в Южной Африке, Пилбара в Западной Австралии, Исуа в Гренландии, Нуввуагиттук в Квебеке и других показывают, что протоконтинентальные массивы — кратоны — существовали уже около 3,7–3,6 миллиарда лет назад. Однако сопровождалось ли их образование и развитие горизонтальными тектоническими движениями, оставалось неясным. Палеомагнитные данные, полученные для метаморфизованных базальтов из восточной части кратона Пилбара, свидетельствуют, что этот древний массив от 3,35 и 3,18 миллиарда лет назад, то есть на протяжении около 170 миллионов лет, испытывал широтный дрейф со скоростью не менее 2,5 сантиметров в год. Следовательно, в это время (середина архея) по крайней мере некоторые участки литосферы уже были включены в устойчивый горизонтальный тектонический процесс.

Оценить время его начала можно не только по изучению остаточной намагниченности пород, но и по косвенным геохимическим данным, содержащимся в наиболее устойчивом компоненте породы — кристаллах циркона. Эти данные позволяют реконструировать условия кристаллизации и таким образом судить о геодинамической обстановке, в которой она протекала. Так, анализ содержания изотопа гафния ¹⁷⁶Hf в цирконах из пород кратона Слейв в Канаде показал, что они образовались после относительно быстрого плавления коры в субдукционной зоне, а не в результате длительного метаморфизма в толще древнего протоконтинента. Возраст этих цирконов оценивается в 3,8–3,6 миллиарда лет. Но насколько типичным был этот процесс для раннего архея, ученые ответить затруднялись.

Американские геохимики под руководством Майкла Акерсона (M.R. Ackerson) из Смитсоновского института исследовали цирконы из метаморфического пояса Джек Хиллс, принадлежащего к кратону Илгарн в Западной Австралии. Из 15 образцов породы ученые извлекли свыше 3500 цирконов, но лишь около 200 зерен оказались пригодны для анализа; на остальных при исследовании зональности были выявлены признаки вторичных изменений. Возраст кристаллов, определенный уран-свинцовым методом, составил от 4,3 до 3,0 миллиарда лет.

Ученых интересовало изменение содержания алюминия, который поступал в магматический расплав — источник цирконов — в составе глинозема Al₂O₃ из осадочных отложений. Концентрацию алюминия в образцах определяли с помощью масс-спектрометрического анализа плазмы, полученной из образцов кристаллов методом лазерной абляции.

Присутствие значительного количества алюминия (более четырех массовых долей на миллион) в цирконах может служить показателем того, что кристаллизация протекала в особых условиях — на сравнительно большой глубине (при давлениях 0,7 гигапаскаля и выше), в низкотемпературной (700–800 градусов) водонасыщенной магме. О ее происхождении ученые судили по образцам раннепалеозойских цирконов двух типов из складчатого пояса Лаклан на востоке Австралии. Кристаллы I-типа содержат мало алюминия и имеют магматическое происхождение; S-тип отличается высокими концентрациями алюминия и образуется в результате метаморфизации осадочных пород на больших глубинах.

Акерсон и его коллеги обнаружили, что около 80 процентов выборки составили цирконы, близкие по содержанию алюминия к I-типу. По-видимому, они образовались аналогичным путем — при кристаллизации из низкоглиноземистой магмы, которая внедрялась в тонкую молодую кору из мантии. В эту группу попали практически все цирконы старше 3,8 миллиарда лет и значительная доля более молодых зерен. Однако приблизительно 10 процентов цирконов отличает высокая концентрация алюминия, и эти кристаллы оказались моложе 3,6 миллиарда лет. Авторы исследования связывают их происхождение с метаморфизмом и частичным плавлением пород развитой коры над древней зоной субдукции.

Полученные американскими учеными данные по содержанию алюминия в кристаллах из Джек Хиллс приурочены к той же дате, что и результаты ранее проведенного анализа канадских цирконов на гафний, — около 3,6 миллиарда лет назад. Они показывают, что в это время на Земле протекали важные изменения: в разных регионах планеты складывался новый тектонический режим, связанный с горизонтальным перемещением обособленных плит. На этом переходном этапе первые признаки тектоники плит проявлялись локально там, где шло наращивание коры протоконтинентов. С усложнением строения литосферы в процесс вовлекались все более обширные области, и около трех миллиардов лет назад тектоника плит приобрела глобальный характер.

Ранее ученые выяснили, что в образовании древней континентальной коры большую роль сыграла гидродинамическая неустойчивость, составили атлас утонувших литосферных плит и построили глобальную тектоническую модель, охватывающую последний миллиард лет.