Цирконы из Джек-Хиллс говорят, что тектоника плит началась 3,6 млрд лет назад

[GAS]

Древнейшие цирконы из Джек-Хиллс указывают на то, что тектоника плит началась 3,6 миллиарда лет назад


Рис. 1. Скальные обнажения на склонах холмов Джек-Хиллс (см. Jack Hills) в Западной Австралии — источник древнейшего материала земного происхождения — зерен минерала циркон, входивших когда-то в состав не сохранившихся нигде на поверхности Земли пород катархея. Фото с сайта eurekalert.org

Американские геологи представили доказательства того, что горизонтальные перемещения блоков земной коры — литосферных плит — по поверхности Земли начались 3,6 млрд лет назад. Авторы исследования предлагают считать это временем старта тектоники плит — уникального механизма, определяющего ход основных геологических процессов и облик нашей планеты в целом. Изучив состав цирконов из района Джек-Хиллс в Западной Австралии, имеющих возраст от 4,3 до 3,0 млрд лет, ученые выяснили, что примерно 3,6 млрд лет назад в составе этих минералов магматического происхождения появился алюминий — типичный химический элемент континентальной земной коры и индикатор ее глубинного плавления при погружении в мантию. По мнению исследователей, это свидетельствует о том, что к этому времени уже сформировались первые протоконтиненты, а осадочный материал с поверхности начал затягиваться в мантию в зонах субдукции.

Современное научное представление о строении и динамике литосферы — твердой оболочки Земли — основывается на концепции тектоники плит, согласно которой земная кора состоит из относительно целостных блоков — литосферных плит, находящихся в постоянном движении относительно друг друга. Тектоника плит объясняет возникновение землетрясений, вулканическую деятельность и процессы горообразования.

Никакие другие планетные тела, известные нам, не имеют подобной динамической коры. Этот глубинный конвейер в течение миллиардов лет поддерживал на земной поверхности относительно стабильные условия за счет постоянной подпитки энергией и химическими веществами из глубинных недр, что, по мнению ученых, стало одним из ключевых факторов зарождения на Земле сложных форм жизни.

Но когда и как начал работать механизм, обеспечивающий движение литосферных плит, остается одним из самых спорных вопросов геологии. Известно, что первые блоки континентальной коры возникли на Земле в архее (4,0–2,5 млрд лет назад). Сегодня породы архейского возраста сохранились в кратонах — ядрах древних континентов. Вероятно, тогда же — в архее или позже, в палеопротерозое (2,5–1,6 млрд лет назад), — начались и первые горизонтальные перемещения плит.

Назвать более точное время начала тектоники плит трудно: земная кора в то время была намного тоньше, температура мантии была выше, а вязкость конвекционных потоков в ней — меньше. При таких условиях на границах плит возникали лишь небольшие упругие деформации. Но в какой-то момент механические напряжения стали достаточными для возникновения хрупких взаимодействий, и плиты в местах столкновения начали коробиться с образованием гор или пододвигаться одна под другую — возникли зоны субдукции.

Американские ученые под руководством Майкла Акерсона (Michael Ackerson), геолога из Национального музея естественной истории в Вашингтоне, изучили состав самых древних из известных минеральных образований на Земле — цирконов из района Джек-Хиллс в Западной Австралии. Их возраст по радиометрическим данным составляет от 4,3 до 3,0 млрд лет, то есть частично охватывает катархейский эон — древнейший интервал геологического времени, предшествовавший архею.

Пород этого времени на Земле не сохранилось, так как начавшая формироваться в катархее первичная литосфера была полностью переработана и погрузилась в расплавленную верхнюю мантию. Единственными вещественными свидетельствами катархейской эпохи являются зерна цирконов, которые когда-то входили в состав магматических пород катархейской литосферы, а затем были переотложены в осадочных породах архейского возраста. В частности, в Джек-Хиллс они присутствуют в архейских метаморфизованных конгломератах возрастом 2,65–3,05 млрд лет (рис. 2).


Рис. 2. Снимок в поляризованном свете прозрачного среза осадочной породы преимущественного кварцевого (различные оттенки серого) состава, содержащей обломочное зерно циркона (на врезке циркон имеет пурпурный оттенок). Фото с сайта eurekalert.org

Авторы изучили около 3500 зерен циркона из Джек-Хиллс с помощью катодолюминесцентной и сканирующей электронной микроскопии. Сочетание этих методов позволило исследователям выявить внутреннее зональное строение кристаллов. Затем, используя луч лазера, ученые испаряли вещество кристаллов и анализировали его с помощью масс-спектрометра (рис. 3).


Рис. 3. Зерна циркона — изображения, полученные с помощью катодолюминесцентного микроскопа. Темные круги — полости, оставленные лазером. Фото с сайта eurekalert.org

Результаты такого анализа сразу позволяют получить возраст и точный химический состав каждого циркона. Абсолютный возраст зерен определяли уран-свинцовым методом по соотношению изотопов ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb. Кроме того, авторы установили, что начиная с отметки примерно 3,6 млрд лет в составе цирконов существенно возросла доля алюминия (рис. 4).


Рис. 4. Содержание алюминия (в ppm) в зернах циркона в зависимости от возраста (в млн лет). Рисунок из обсуждаемой статьи в Geochemical Perspectives Letters

Элементы-примеси, встраивающиеся в решетку циркона (ZrSiO₄₎, традиционно используются петрологами для определения составов силикатных магм. Цирконы, кристаллизующиеся из глиноземистых (обогащенных алюминием) расплавов, образующихся при плавлении пород земной коры, имеют в своем составе около 10 ppm Al по сравнению с 0,88–1,6 ppm для первичных мантийных магм.

Существует несколько вариантов обогащения магм алюминием: 1) дифференциация (расслоение) кремнистых гранитных расплавов на поздней стадии; 2) контаминация (загрязнение) магм за счет ассимиляции вмещающих осадочных пород; 3) фракционирование (разделение на фракции) первичного мафического (железо-магнезиального) расплава с обогащением одной из фракций водой и алюминием при умеренно высоком давлении (выше 7 кбар).

В первом случае обогащения циркона не происходит, так как он выделяется из расплава на ранней стадии. Второй сценарий более вероятен. Известно, что цирконы, в которых содержание алюминия превышает 4 ppm, кристаллизуются из высокоглиноземистых (с высокой долей Al₂O₃) гранитных расплавов с большой примесью переплавленных осадочных пород земной коры (D. Trail et al., 2017. Aluminum in zircon as evidence for peraluminous and metaluminous melts from the Hadean to present). Поэтому авторы приняли значение 4 ppm за пороговое значение глиноземистости, позволяющее отделить цирконы, образующиеся из коровых расплавов, от мантийных (рис. 4).

Таким образом, если принимать за базовый второй сценарий, то получается, что примерно 3,6 млрд лет назад на глубину, в зону магмообразования, начало попадать большое количество осадочного материала с поверхности, а для этого, по мнению авторов, должна заработать тектоника плит и механизм погружения одной литосферной плиты под другую — субдукция.

Теоретически возможно возникновение глиноземистых магм и обогащения алюминием цирконом и по третьему сценарию. В частности, в Исландии ученые в режиме реального времени фиксируют образование сиалических (богатых кремнием и алюминием) пород континентальной коры непосредственно из базальтовых магм (J. Reimink et al., 2014. Earth's earliest evolved crust generated in an Iceland-like setting). Но для возникновения тектонических условий растяжения, наблюдаемых на океанических плато типа Исландии тоже нужны горизонтальные движения плит. То есть и в том, и в другом случае, чтобы объяснить присутствие алюминия в цирконах, надо допустить наличие значительных горизонтальных подвижек, которые говорят о действии тектоники плит.

Ранее считалось, что механизм тектоники плит заработал в конце архея, примерно 2,7 млрд лет назад. Но в 2019 году геологи из России, Франции, Германии и ЮАР опубликовали результаты исследований состава коматиитов — древних ультраосновных вулканических пород возрастом 3,3 млрд лет из зеленокаменного пояса Барбертон в Южной Африке (A. Sobolev et al., 2019. Deep hydrous mantle reservoir provides evidence for crustal recycling before 3.3 billion years ago, подробно об этом исследовании рассказано в новости «Подземный океан» в переходной зоне мантии образовался более 3,3 млрд лет назад, «Элементы», 29.07.2019).

В расплавных включениях в оливине — минерале, составляющем до 50% массы коматиитов, — были обнаружены изотопные сигнатуры водорода, указывающие на то, что в глубинный мантийный резервуар, где формировалась коматиитовая магма, уже в палеоархее (3,2–3,6 млрд лет назад) попадала морская вода. Отношение дейтерия к водороду в этих расплавных включениях аналогично изотопным параметрам океанической коры, которая первоначально была изменена морской водой, а затем обезвожена во время субдукции.

А в январе 2021 года в журнале Precambrian Research вышла статья, в которой ученые из Китая, Великобритании и Канады на основе анализа геологических данных доказывают, что один из элементов тектоники плит, а именно механизм аккреции (приращения континентальной коры по окраинам протоконтинентов), функционировал уже в эоархее (4,0–3,6 млрд лет назад, см. B. Windley et al., 2021. Onset of plate tectonics by the Eoarchean). Однако авторы этой работы оговаривают, что классический цикл Уилсона (см. Wilson Cycle), объясняющий периодическое образование и схлопывание океанов, и связанный с ним цикл возникновения и разрушения суперконитентов (суперконтинентальный цикл), заработал только 2,7–2,5 млрд лет назад, после появления достаточно крупных континентов (рис. 5; подробнее о суперконтинентальных циклах см. новость Суперконтинентальные циклы синхронизированы с периодами активности суперплюмов, «Элементы», 10.01.2020).


Рис. 5. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая два типа тектоники плит. Слева — древняя аккреционная тектоника, действовавшая в архее, 4,0–2,7 млрд лет назад (показана гипотетическая ситуация на момент 3,0 млрд лет назад). Основные ее элементы: внутриокеанские дуги (intra-oceanic arcs) и аккреционные орогены (складчатые пояса, образующиеся в местах столкновения микроплит). Справа — современный вариант тектоники плит, заработавший с начала протерозоя (2,7–2,5 млрд лет назад), в котором образование аккреционных орогенов сочетается с циклом Уилсона, предусматривающим образование и распад крупных континентов (large emergent continents). L — литосфера; UM — верхняя мантия; MTZ — переходная зона мантии (см. Transition zone), находящаяся на глубине 410–660 км сегодня, и 430–640 км 3,0 млрд лет назад; LM- нижняя мантия, D» — граница «ядро — мантия». Рисунок из статьи B. Windley et al., 2021. Onset of plate tectonics by the Eoarchean

Результаты нового исследования позволяют более детально восстановить последовательность становления главного тектонического механизма планеты. Получается, что 4,0 млрд лет назад начались первые горизонтальные движения микроплит, которые постепенно собирались в более крупные образования — протоконтиненты, а в местах их столкновения формировались первые горные сооружения — аккреционные орогены. Примерно 3,6 млрд лет назад возникла субдукция — затягивание поверхностного материала в мантию — и выплавление первых сиалических магм. А 2,7–2,5 млрд лет назад, после появления первых крупных континентов, заработал уже полномасштабный механизм тектоники плит, действующий и поныне.

Источник: M. R. Ackerson, D. Trail, J. Buettner. Emergence of peraluminous crustal magmas and implications for the early Earth // Geochemical Perspectives Letters. 2021. DOI: 10.7185/geochemlet.2114.

Владислав Стрекопытов https://elementy.ru/novosti_nauki/433816/Drevneyshie_tsirkony_iz_Dzhek_Khills_ukazyvayut_na_to_chto_tektonika_plit_nachalas_3_6_milliarda_let_nazad