Сублитосферные алмазы рассказали об источнике стабильности суперконтинента Гондвана

Геохимики проанализировали состав алмазов из Бразилии и Западной Африки, сформировавшихся на глубинах 300–700 километров, и выяснили их возраст: от 650 до 450 миллионов лет. Это показывает, что алмазы образовались в результате субдукции под границами Гондваны, а позднее были подняты к нижней границе литосферы восходящими мантийными потоками, которые увеличивали толщину древних кратонов в составе суперконтинента. По-видимому, этот подъем продолжался около 200 миллионов лет и способствовал длительному сохранению целостности Гондваны. Отчет об исследовании опубликован в Nature.

Согласно современным представлениям, постоянное перемещение литосферных плит происходит в рамках суперконтинентальных циклов. Эти длительные (сотни миллионов лет) промежутки времени включают стадии сборки материковых блоков литосферы в единый массив, затем его распада и, наконец, перегруппировки континентов вплоть до следующего объединения. При этом мантия, по мнению исследователей, эпизодически перемешивается до больших глубин из-за субдукции на окраинах суперконтинента. В свою очередь, подъем больших масс мантийного материала, включающего остатки древней коры, должен влиять на эволюцию континентальной литосферы. Однако данные о тектонических процессах прошлого недостаточно определены, так как базируются в основном на анализе состава пород в верхней части земной коры и на палеомагнитных измерениях.

Самые глубокие по происхождению образцы мантийного материала, доступные для прямого исследования, ― так называемые сублитосферные алмазы. Судя по изотопным соотношениям углерода в них и по составу минеральных включений, эти алмазы кристаллизовались на глубинах от 300 до 700 километров, предположительно из расплавов, которые содержали остатки древних погруженных плит. Но для привязки алмазов как источника данных к определенным тектоническим обстановкам прошлого необходимо их надежное датирование.

За решение этой задачи взялись Сюзетт Тиммерман (Suzette Timmerman) из Альбертского университета в Эдмонтоне совместно с коллегами из десяти стран. Они проанализировали микроэлементный состав минеральных включений в 13 алмазах из месторождений в Бразилии и Гвинее. Эти алмазоносные районы располагаются в пределах Амазонского кратона и Западно-Африканской древней платформы соответственно. Для датирования силикатных включений использовали рубидий-стронциевый, самарий-неодимовый и уран-свинцовый методы. Возраст сульфидного включения в одном из бразильских алмазов определили рений-осмиевым методом. Кроме того, алмазы были исследованы на содержание азота.

Во всех изученных образцах азот либо отсутствовал, либо находился в чрезвычайно малой концентрации, что говорит о формировании при высоком давлении, то есть в сублитосферных условиях на большой глубине. В зонах роста западноафриканских алмазов исследователи обнаружили положительный сдвиг изотопного соотношения углерода ¹³C/¹²C, типичный для субдуцированных морских карбонатов. Он указал на источник мантийного расплава, в котором протекала кристаллизация. Радиоизотопные датировки бразильских алмазов, полученные разными методами, перекрываются в большом интервале приблизительно от 610 до 450 миллионов лет назад. Определить возраст включений в алмазах из Гвинеи оказалось сложнее из-за примеси компонентов более древней коры. Но датирование по соотношениям ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb—²³⁸U/²⁰⁴Pb дало близкий результат: 648 ± 150 миллионов лет.

Алмазы этих областей образовались глубоко в мантии примерно в одно время, в палеозое. Суперконтинент Гондвана существовал тогда в Южном полушарии обособленно от других материковых блоков, но сохранял целостность. Около 450–400 миллионов лет назад совместная миграция составлявших Гондвану плит сдвинула южноамериканский и западноафриканские кратоны, близкие к окраинам суперконтинента, к северу почти на 60 градусов (более чем на 6500 километров). Казалось бы, они должны были удалиться от сублитосферных источников алмазов, однако впоследствии месторождения в них все-таки образовались. Тиммерман с коллегами полагают, что алмазы попали в основания кратонов, в так называемый литосферный киль, до этого перемещения из-за апвеллинга (подъема) мантийного вещества.

Свидетельств существования мощных плюмов под этими областями Гондваны нет, и исследователи заключили, что подъем происходил в локальных областях неустойчивости Рэлея—Тейлора, где истощенный мантийный материал отделялся от погруженных остатков плиты. Подъем длился около 200 миллионов лет и вызвал аккрецию вещества мантии на литосферном киле. Это способствовало утолщению и стабилизации кратонов, а также упрочило их сборку в составе Гондваны: она не распадалась полностью в промежутке между фазами существования глобальных суперконтинентов. Взрывные извержения, вынесшие алмазоносные кимберлиты к поверхности, произошли гораздо позднее, в меловом периоде, менее 100 миллионов лет назад, когда Гондвана уже распалась. По мнению авторов, изучение эволюции литосферы в древних подвижных поясах суперконтинентов может привести к обнаружению ранее неизвестных алмазоносных областей.

Ранее N + 1 уже рассказывал, как ученые пришли к выводу о большой роли субдукции в формировании алмазов. Также мы сообщали о том, что распад суперконтинента Нуна породил алмазную трубку, а древнейшие континентальные блоки ― кратоны ― образовались благодаря гравитационному перемешиванию.