Древняя континентальная кора могла образоваться в результате метеоритной бомбардировки

Рис. 1. Ударный кратер Садбери (Канада). Красными точками очерчены границы кратера и магматического комплекса Садбери. Спутниковый снимок с сайта en.wikipedia.org

В местах падения на поверхность Земли астероидов и крупных метеоритов образуются ударные кратеры, а энергия, выделяющаяся при таких событиях, настолько велика, что породы внутри кратера плавятся, заполняя его магматическим расплавом. При остывании этого расплава происходит расслоение (дифференциация) по плотности и составу, а после кристаллизации возникают крупные расслоенные интрузии (магматические тела), строение которых весьма напоминает строение континентальной земной коры. Исследование ударного кратера Садбери (Канада) показало, что в доархейское время, когда Земля подвергалась массированной метеоритной бомбардировке и практически вся ее поверхность была покрыта расплавом, именно по такой схеме могло происходить становление континентальной земной коры и зарождение материков.

Снаружи Земля покрыта твердой оболочкой — земной корой, которая не является монолитной, а разбита на плиты, неоднородные по своему строению и составу. Два главных типа плит — континентальные и океанические — различаются составом коры (соответственно, континентальной и океанической), мощностью (толщиной) и возрастом.

В центральных частях океанов (в зонах срединно-океанических хребтов) плиты раздвигаются, снизу поступает мантийный материал, который формирует океаническую кору, состоящую главным образом из базальтов, поверх которых отлагается слой осадков. Таким образом, океаническая кора имеет двуслойное строение.

Континентальная кора имеет трехслойное строение: осадочный слой сверху, затем располагается «гранитный» слой, состоящий главным образом из гранитов и гнейсов, а внизу — условно названный «базальтовым» нижний слой коры, идентифицируемый только на основе геофизических данных (даже самые глубокие скважины так и не достигли верхней границы «базальтового» слоя). Континентальная кора более мощная (толщиной до 75 км, в среднем — 35–45 км) и более древняя, чем океаническая. Первые блоки континентальной коры (кратоны) возникли на Земле еще в архее, 2,4–4,0 млрд лет назад. Кратоны составляют «ядра» всех континентов. Согласно теории тектоники плит, вокруг этих «ядер» непрерывно идет наращивание континентальных окраин за счет переплавления погружающейся в зонах субдукции океанической коры вместе с осадочным слоем. Но как образовались сами архейские кратоны, если первые достоверные признаки движения литосферных плит фиксируются лишь начиная с позднего протерозоя (1 млрд лет назад)?

Вероятно, процессы движения земной коры в архее сильно отличались от современных в силу того, что литосфера была еще сильно разогрета и часть пород земной коры находилась в расплавленном состоянии. Этот первичный расплав был исключительно базальтового состава. И именно тогда в этой полурасплавленной коре каким-то образом происходили процессы дифференциации (расслоения) первичного корового вещества, приведшие к образованию стратифицированной континентальной коры, верхние горизонты которой образовали более легкие и кислые по составу граниты, а нижние — более плотные и тяжелые породы основного состава.

В качестве одного из процессов, который мог бы привести к дифференциации вещества земной коры (разделению ее на слои) в архейское время, был предложен механизм гравитационного перемешивания (D. Wiemer et al., 2018. Earth's oldest stable crust in the Pilbara Craton formed by cyclic gravitational overturns). Однако для того, чтобы огромные массы расположенного близко к поверхности и уже начинающего остывать базальта прошли все этапы дифференциации с образованием гранитов, требуется интенсивный источник тепла и энергии. В раннеархейское и доархейское (катархейское) время такими источниками вполне могли быть мощные импактные события — падения на Землю астероидов и крупных метеоритов в период поздней тяжелой бомбардировки (4,1–3,8 млрд лет назад). Учитывая тот факт, что падение астероида размером 50 км может вызвать появление гигантского озера магмы, простирающегося на сотни километров, интенсивная бомбардировка могла привести к появлению крупных областей расплавленных пород площадью тысячи квадратных километров при толщине расплавов в десятки километров.

Международная группа ученых во главе с Раисом Латыповым (Rais Latypov) из Витватерсрандского университета в ЮАР, изучая ударный кратер Садбери в Канаде, нашла серьезные подтверждения гипотезы о том, что метеоритная бомбардировка действительно могла быть причиной первичной дифференциации вещества внешней оболочки Земли и образования земной коры континентального типа.

При падении астероида диаметром 10–15 км, которое произошло 1,85 млрд лет назад, в кратере Садбери возник слой магматического расплава, нагретого до 1700–2000°C, а затем сформировалась расслоенная магматическая структура (магматический комплекс Садбери — Sudbury Igneous Complex) вытянутой овальной формы (62 км по длинной оси и 30 км — по короткой, рис. 2). Такая форма комплекса, по мнению авторов обсуждаемой статьи, связана с тем, что столкновение астероида с поверхностью Земли произошло по касательной. Позднее, в эпоху гренвильской складчатости (1090–930 млн лет назад), эта область подверглась сжимающим силам, действовавшим с юго-востока, что еще сильнее вытянуло кратер. Расслоенное магматическое тело прослеживается на глубину до 15 км. Это третий по величине ударный кратер на Земле и самая хорошо сохранившаяся расслоенная интрузия импактного происхождения. Магматический комплекс Садбери состоит из слоев таких изверженных пород, как габбро, нориты и гранофиры. Очевидно, что разделение слоев произошло в результате магматической дифференциации, при которой из первично однородной магмы образовались породы различного состава, однако каков был механизм этой дифференциации, до сих пор не было известно.

Рис. 2. Схематический план (а) и разрез (b) магматического комплекса Садбери. Цифрами внизу слева обозначены: 1 — комплексы перекрывающих осадочных и вулканических пород; 2–4 — породы магматического комплекса Садбери: 2 — породы кислого состава (гранофиры), 3 — кварцевые габбро, 4 — породы основного состава (нориты). Темно-зеленым цветом на профиле справа показаны нижний слой меланоритов и тела аналогичных пород, встречающиеся в виде фрагментов по всей толще пород комплекса. Справа на геохимической кривой видно, что меланориты резко отличаются от всех остальных пород комплекса повышенным содержанием MgO. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

В отличие от других крупных расслоенных интрузивных комплексов импактного происхождения (Стиллуотер (Stillwater) в США, Бушвельд в ЮАР и других), верхние части которых уничтожены эрозией, в комплексе Садбери частично сохранились породы кровли — верхнего слоя магматических пород комплекса. Авторы обнаружили, что фрагменты кровли сложены теми же самыми породами, которые залегают в основании комплекса — высокотемпературными меланократовыми норитами, которые авторы назвали меланоритами. Эти породы резко отличаются от представленных в нижней части комплекса Садбери фельзических (felsic) норитов как петрографически (доля ортопироксена в них составляет 23–35% по сравнению с 6–9% в фельзических норитах), так и геохимически (содержание MgO в них составляет 8–9% по сравнению с 4–6% в фельзических норитах).

Фрагменты тел тех же самых меланоритов размером от 10 до 100 м авторы обнаружили в виде обломков, распределенных по всей толще пород интрузивного комплекса Садбери. Это стало возможным благодаря детальному петрографическому и геохимическому картированию комплекса (так как внешне меланориты практически неотличимы от вмещающих пород). По трем геохимическим профилям (траверсам), отмеченным на рис. 2, было отобрано более 600 образцов, что впервые позволило задокументировать тела меланоритов на разных стратиграфических уровнях интрузивного тела.

Авторы интерпретируют картину образования магматического комплекса Садбери следующим образом (рис. 3). После удара астероида в кратере образовался очаг магмы однородного гранодиоритового состава, перекрытый сверху слоем обломочных отложений, выброшенных из кратера при ударе. По мере застывания магмы происходила ее дифференциация — расслоение за счет фракционной кристаллизации. Доказательством того, что застывание (кристаллизация) происходила одновременно в двух направлениях (снизу вверх и сверху вниз), служит тот факт, что самые высокотемпературные породы, кристаллизовавшиеся из расплава первыми, — меланориты — встречаются как в кровле магматического массива, так и в его основании. Так как в центральной части массива некоторое время продолжалось конвекционное перемешивание магматического расплава, застывшая кровля массива периодически разрушалась, и ее обломки, более плотные по сравнению с расплавом, погружались вниз, фиксируясь в породах внутренних частей массива по мере их кристаллизации.

Рис. 3. Модель формирования расслоенного магматического комплекса Садбери: а — импактное событие (падение астероида) привело к образованию кратера, заполненного магматическим расплавом (красный); b — возникновение конвекции в первично однородном гранодиоритовом расплаве; с — образование слоев меланоритов (зеленый) в основании и кровле массива, частичное разрушение кровли; d — завершающая стадия расслоения массива. В конце концов формируется разрез, полностью аналогичный трехслойному разрезу континентальной земной коры: сверху осадочный слой (голубой), затем «гранитный» слой (гранофиры — желтый) и «базальтовый» слой, состоящий из основных пород (норитов — зеленый) внизу. Зеленые треугольники и прямоугольники — фрагменты меланоритов кровли. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Таким образом, впервые обнаруженные в породах магматического комплекса фрагменты меланоритов, заключенные в породах более кислого состава, позволили воссоздать всю картину последовательной кристаллизации расслоенного комплекса Садбери, а детальное изучение строения комплекса — доказать, что мощные импактные события действительно могли приводить к переплавлению древней базальтовой коры с образованием расслоенных комплексов пород различного состава, в том числе — кислых пород богатых кремнеземом («гранитного» слоя), которые локализовались в верхней части новообразованной коры континентального типа.

Несмотря на то что образование магматического комплекса Садбери произошло 1,85 млрд лет назад (в палеопротерозойской эре), то есть значительно позже периода поздней тяжелой бомбардировки, авторы считают, что характер импактных событий и последующих процессов магматической дифференциации в архее и катархее вряд ли сильно отличался, и полученные результаты вполне можно распространять на все предшествующие периоды.

Источник: Rais Latypov, Sofya Chistyakova, Richard Grieve, Hannu Huhma. Evidence for igneous differentiation in Sudbury Igneous Complex and impact-driven evolution of terrestrial planet proto-crusts // Nature Communications. 2019. V. 10. Article number 508. DOI: 10.1038/s41467-019-08467-9

Владислав Стрекопытов