Удары метеоритов назвали причиной образования первых континентов
Геологи проанализировали изотопный состав кислорода в зернах циркона из архейских пород кратона Пилбара. Результаты исследования говорят, что эти породы могли сформироваться в результате ударов метеоритов, что часто происходило в первый миллиард лет истории Земли. Результаты исследования опубликованы в Nature.
Причины образования и развития континентов на Земле — одна из бурно обсуждаемых тем в геологии. Приблизительно четыре миллиарда лет назад начали формироваться первые континенты. Редкие породы, свидетели тех времен, сохранились в так называемых кратонах — древних и стабильных частях континентальной литосферы.
Один из них — автралийский кратон Пилбара. Он состоит из амфиболитов, гранитов и других пород. Обычно настолько древние породы изменены метаморфизмом, гидротермальными растворами — то есть их исходный состав изменился со временем.
Чтобы получить первичную характеристику таких пород, изучают, например, циркон (силикат циркония). Этот минерал очень стойкий к внешнему воздействию, он кристаллизуется в магме одним из первых, поэтому сохраняет в своем составе неизмененные характеристики изначальной магмы.
Циркон универсальный минерал, его используют для целей геохронологии, петрохронологии, датирования по трекам деления, для определения источника вещества. В последнем случае изучают особенности его изотопного состава, например изотопов кислорода.
Группа исследователей из Австралии, Китая и США под руководством Тима Джонсона (Tim Johnson) из Университета Кертина измерила в кристаллах циркона возраст и отношение изотопов кислорода. Кристаллы циркона извлекли из пород кратона Пилбара и находящегося рядом кратона Йилгарн. Для определения возраста и изотопного состава кислорода геологи использовали масс-спектрометрию вторичных ионов. Этот метод позволяет измерять возраст и изотопный состав локально, в точке размером 10 микрон. Используя опубликованные и новые данные, группа исследователей выделила три этапа кристаллизации циркона.
Кристаллы первого этапа сформировалась 3,6—3,4 миллиарда лет назад и их изотопный состав кислорода указывает на кристаллизацию из гидротермально измененной базальтовой коры. Небольшую глубину плавления исследователи интерпретировали как результат столкновения с метеоритами. В результате ударов кора раскалывалась, появлялись зоны, по которым могла циркулировать морская вода, что приводило к гидротермальным изменениям.
Кристаллы циркона второй стадии сформировались 3,4—3,0 миллиарда лет назад и их изотопный состав кислорода свидетельствует, что они кристаллизовались из магм, образовавшихся в основании континента.
Изотопный состав кристаллов циркона третьей стадии (менее трех миллиардов лет назад) указывает на кристаллизацию из пород, которые претерпели цикл кристаллизации, разрушения и плавления. То есть источник этих цирконов — рециклированное вещество. А для этого уже должна существовать субдукция в том виде, в котором она существует сейчас. Но запустила этот процесс, по мнению ученых, именно бомбардировка Земли гигантскими метеоритами.
По другой теории породы кратона Пилбара образовались в результате гравитационного перемешивания. Кроме того, там расположен самый древний сохранившийся ударный кратер. А чтобы подробнее узнать, как ученые определяют возраст читайте наш материал «Капсулы времени».
Александр Марфин
Для этого понадобилось пять разных сыпучих материалов
Американские и канадские физики экспериментально исследовали влияние формы гранул на скорость их перемещения по дну желоба. Они построили феноменологическую модель, учитывающую сопротивление и трение, и проверили ее на пяти различных сыпучих материалах из диоксида кремния. Проделанная работа позволит лучше прогнозировать изменение рельефа и изучать другие планеты. Исследование опубликовано в Nature. Наносами или седиментами называют твердый сыпучий материал, например, песок или землю, частицы которого перемещаются под водой или на воздухе под действием соответствующих потоков. Движение гранул — это физический процесс, который играет важную роль в образовании и изменении различных форм рельефа: холмов, русел рек, побережий и многого другого. Понимание того, как это происходит на Земле, способно улучшить наше представление о климате прошлого и настоящего на других планетах, а также помочь с поиском пригодных для жизни условий. Отсутствие хороших физических моделей движения наносов вызвано сложностью процесса переноса частиц в условиях турбулентности. Гранулы могут перекатываться, подпрыгивать или скользить по поверхности почвы, а также подхватываться толкающими их потоками. И если влияние размера и плотности седиментов изучено относительно хорошо, то влияние их формы редко поддается количественной оценке, несмотря на общее понимание важности этого фактора. Так, физики знают, что чем менее сферичны частицы, тем чаще они скользят, нежели катятся, увеличивая таким образом трение. С другой стороны, гранулы неправильной формы в потоке обычно стремятся переориентироваться так, чтобы их наибольшая площадь поперечного сечения оставалась перпендикулярной потоку. Это, в свою очередь, увеличивает парусность и ускоряет перемещение. Разобраться с конкуренцией этих двух факторов и количественно описать влияние формы на движение наносов решила группа исследователей из Канады и США во главе с Эриком Дилом (Eric Deal) из Массачусетского технологического института. Общепринятая модель перемещения наносов опирается на соотношение между безразмерным объемным потоком и числом (или параметром) Шилдса. Физический смысл последнего — это сдвиговое механическое напряжение, приведенное к характеристикам потока и частиц. Движение наноса начинается только тогда, когда параметр Шилдса превышает некоторое пороговое значение, а объемный поток описывается их разницей в степени 3/2. Новизна работы авторов в том, что они переопределили параметр Шилдса для асферических частиц с помощью дополнительного множителя. Этот множитель представляет собой отношение безразмерных коэффициентов лобового сопротивления и трения, оба из которых приведены к сферическому случаю. Новая теория предсказывает, как пороговое значение для параметра Шилдса и коэффициент пропорциональности будут масштабироваться по мере изменения этих двух факторов. Для проверки предсказаний ученые подготовили пять гранулированных материалов из диоксида кремния (стекла): гладкие сферы, ограненные эллипсоиды, плоские обтесанные камешки, природный песок и прямоугольные призмы. Для каждого из них авторы измерили коэффициенты сопротивления и трения. Для первого они исследовали скорость осаждения, для второго — угол естественного откоса. Дальше физики проводили эксперименты в узком наклонном желобе. Они подавали на вход каждый материал вместе с потоком воды и дожидались установления равновесного перемещения, когда отток наносов соответствовал их притоку, после чего снимали процесс на высокоскоростную камеру. На основании видеозаписей ученые строили зависимости объемного потока частиц от параметра Шилдса и проверяли предсказания. Оказалось, что теория прекрасно описывает эксперимент. Зависимость порогового параметра и коэффициента пропорциональности от приведенных коэффициентов сопротивления и трения оказалась ровно такой, как это следует из новой модели. После переопределения соответствующих параметров Шилдса зависимости для всех пяти материалов легли на одну теоретическую кривую. Одним из самых заметных результатов движения наносов можно назвать образование и перемещение песчаных дюн. Ранее мы рассказывали, как физики экспериментально исследовали их переползание и взаимодействие под водой.
