Древнейшие континентальные блоки выросли за счет примитивной мантии

Изотопные исследования пород кратона Пилбара в Австралии позволили геологам не только уточнить время его формирования, но и детализировать картину этого процесса. Оказалось, что ядро одного из древнейших блоков континентальной коры образовалось в период от 3,52 до 3,12 миллиарда лет назад в основном благодаря неоднократным поступлениям с глубины вещества примитивной мантии. Прирост протоконтинента за счет рециклинга ранее сформированной коры был незначительным и лишь около трех миллиардов лет назад начал играть заметную роль в формировании кратона. Об исследовании сообщает статья в журнале Earth and Planetary Science Letters.

Большая часть информации о тектонической жизни нашей планеты в ранние эпохи ее существования стерта последующей геологической активностью. Немногочисленные следы далекого прошлого сохранились в породах самых древних стабильных участков континентальной коры ― кратонов. Основания кратонов ― гранит-зеленокаменные области ― сформировались еще в архее, более 2,5 миллиарда лет назад. Их отличает характерная структура, в которой зоны глубокого залегания основных и ультраосновных вулканогенных пород зеленокаменного пояса перемежаются куполовидными образованиями. Эти купола сложены кислыми гранитоидными породами, принадлежащими к так называемой тоналит-трондьемит-гранодиоритовой (ТТГ) ассоциации и типичными для архейских протоконтинентальных структур.

Для возникновения такой структуры, получившей название купольно-килевой, нужны иные условия, чем те, что господствуют на Земле сейчас. В раннем архее из-за высокой температуры мантия не обладала нужной вязкостью, а древняя кора ― достаточной плотностью. Поэтому механизм тектоники плит еще не действовал (некоторые ученые полагают, что он мог проявляться в локальном масштабе). В примитивной литосфере, как и в мантии, ведущая роль принадлежала процессам вертикального переноса вещества. Как показали исследования пород кратона Пилбара на западе Австралии, вертикальное (гравитационное) перемешивание в пластичной и расслоенной по плотности коре способствовало развитию стабильной гранит-зеленокаменной области уже около 3,4 миллиарда лет назад.

У магм, из которых кристаллизовались породы гранит-зеленокаменных областей, могло быть три источника. Первый ― это примитивная мантия, близкая по составу к протопланетному веществу хондритов. Второй ― деплетированная мантия, представляющая собой резервуары вещества, обедненного литофильными элементами после образования коры. Наконец, третьим возможным источником считается материал самой коры, вторично переплавленный в ходе тектонических процессов.

О том, какой из источников внес наибольший вклад в формирование древнейших континентов, можно судить по соотношениям изотопов неодима-143 (продукт распада самария-147) к неодиму-144 и гафния-176 (продукт распада лютеция-176) к гафнию-177. За эталон принимают содержание изотопов в хондритовых метеоритах, и если отклонения от него, исчисляемые в сотых долях процента, малы, то порода, вероятнее всего, кристаллизовалась из вещества примитивной мантии. Положительные отклонения означают, что порода происходит из обедненного мантийного резервуара, а отрицательные говорят о том, что ее источником стала переработанная кора. Однако результаты изотопных исследований в ряде случаев демонстрируют большой разброс значений величины отклонения, и это затрудняет понимание того, как эволюционировала в архее земная кора.

Чтобы уточнить имеющиеся данные, геологи из Австралии, Дании и США во главе с Энтони Кемпом (Anthony I. S. Kemp) из Университета Западной Австралии изучили образцы с большим диапазоном возрастов, отобранные на разных участках кратона Пилбара. Первую выборку составили 46 образцов основных и ультраосновных пород из зеленокаменных поясов возрастом от 3,52 до 2,95 миллиарда лет. Для них определялось относительное содержание изотопов гафния ¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf и неодима ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd. Во вторую выборку ученые включили 83 пробы кислых магматических пород ТТГ-ассоциации, в которых исследовали на соотношение ¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf цирконовые зерна. Их возраст, определенный уран-свинцовым методом, составляет от 3,56 до 2,72 миллиарда лет.

Результаты анализа зеленокаменных пород показали небольшую положительную аномалию в содержании изотопов (до 0,02 процента в пользу неодима-143 и до 0,035 процента в пользу гафния-176) для образцов возрастом 3,52–3,12 миллиарда лет. Она говорит о том, что активный основной и ультраосновной вулканизм в это время (оно приблизительно соответствует палеоархейской эре) питался, видимо, от слабо деплетированного мантийного источника, почти не обедненного литофильными элементами. Такой результат не согласуется с некоторыми данными, полученными ранее, и это несоответствие ученым еще предстоит объяснить. В образцах моложе трех миллиардов лет, наоборот, обнаружена отрицательная аномалия. Нерадиогенных изотопов неодима-144 и гафния-177 в их источнике было больше, чем в примитивной мантии, и это может означать, что уже в середине архея свой вклад в вулканизм стал вносить рециклинг древней коры.

Сходную картину динамики изотопных соотношений Кемп и его коллеги получили и по гафнию для цирконов, извлеченных из кислых пород ТТГ-ассоциации. Значения ¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf в кристаллах возрастом 3,56–3,12 миллиарда лет оказались даже ближе к эталонному, которое характеризует примитивный, наименее измененный состав мантии. В цирконах из более молодых образцов появляется заметная отрицательная аномалия, значит, и в процесс образования кислых магм в это время включились продукты вторичного плавления старой коры.

Авторы исследования отмечают, что близкие к эталону величины изотопных сигнатур были определены и для других раннеархейских гранит-зеленокаменных областей, построенных также по принципу чередования купольных и килевых участков. Например, они присущи основаниям кратонов Капвааль в Южной Африке и Итсак в Гренландии, где из купольно-килевых структур сформировались большие объемы континентальной коры. Исследователи предположили, что полученные результаты обусловлены особенностями тектонического режима, господствовавшего в первой половине архея. По-видимому, он связан с несколькими эпизодами апвеллинга, в ходе которых из глубины к основанию растущего кратона поступало вещество примитивной или слегка обедненной мантии. Поднимаясь, оно частично расплавлялось и дифференцировалось, образуя магматические очаги разного состава, в том числе и кислого. Примерно три миллиарда лет назад, когда появились сравнительно устойчивые зоны субдукции, в мантию стали внедряться обогащенные литофильными элементами коровые породы, и их влияние на состав магмы отразилось в изотопных записях.

Ранее N + 1 неоднократно рассказывал об исследованиях тектоники древней Земли. Мы сообщали о том, что в сценарии формирования суперконтинента Нуна геологи отвели тектонике плит далеко не главную роль, и о том, что первые континенты могли появиться в результате метеоритных ударов. А еще мы рассказывали, как в архее из-за высокой температуры мантии Земля покрылась глобальным океаном.