«Подземный океан» в переходной зоне мантии образовался более 3,3 млрд лет назад

Рис. 1. Вид на реку Комати в горной стране Барбертон (Южная Африка). Коматииты зеленокаменного пояса Барбертон (Barberton Greenstone Belt) — одни из древнейших горных пород на Земле (3,3 млрд лет) — стали объектами данного исследования. Фото руководителя научной группы академика Александра Соболева из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Nature

Международная научная группа под руководством российских геохимиков из Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН установила, что огромные запасы воды, находящиеся в переходной зоне мантии Земли, превосходящие по массе воды всего Мирового океана, образовывались еще в палеоархее (более 3,3 млрд лет назад) за счет погружения в мантию на глубину 410–660 км океанической коры, обогащенной морской водой. А это значит, что механизм тектоники плит, отличающий Землю от всех других планет Солнечной системы, заработал уже на ранних этапах становления нашей планеты.

Основным источником информации о составе земной мантии являются вулканические породы, кристаллизовавшиеся из мантийных магм, наиболее распространенными представителями которых сегодня являются базальты. Однако в архейский период на поверхность Земли кроме базальтовых изливались значительно более горячие, коматиитовые лавы, возникшие в результате плавления глубинного мантийного вещества, доставляемого к подножию литосферы в составе мантийных плюмов.

Коматиит

Коматиит — вулканическая горная порода ультраосновного состава (SiO₂ 40–45%) нормальной щелочности (Na₂O+K₂O менее 1%) c высоким содержанием магния (МgO 18–40%). По количеству в ее составе темноцветных минералов (>90%) относится к группе ультрамафических пород. Коматииты впервые описаны французскими исследователями братьями Морисом и Робертом Вильон в 1969 году в бассейне реки Комати в Южной Африке. Позднее такие же породы были обнаружены в Канаде, Австралии, Финляндии, России и других странах.

Коматиит. В стекловатой основной массе присутствуют игольчатые выделения оливина. Порода частично серпентинизирована. Фото с сайта rockref.vsegei.ru

Коматииты залегают в виде лавовых потоков толщиной 0,5–20 м в основании многокилометровых толщ, слагающих архейские зеленокаменные пояса (единственным исключением являются уникальные коматииты мелового возраста, обнаруженные на острове Горгона у берегов Колумбии). Коматииты — самые тугоплавкие породы на Земле (начальная температура коматиитового расплава составляет около 1800°C, а температура кристаллизации — не ниже 1500°C).

К сожалению, все известные на поверхности Земли коматииты претерпели существенные постмагматические изменения, и их основные первичные минералы (оливин и клинопироксен) превратились в агрегат вторичных минералов — серпентина, тремолита, хлорита, карбонатов, талька. Все эти вторичные минералы содержат в своем составе Н₂О, Cl и другие летучие компоненты, и судить по валовому составу измененных пород (массовая доля элементов в процентах) о составе первичного коматиитового расплава невозможно. Тем не менее даже в измененных коматиитах кое-где сохранились реликты магматического оливина, который в свою очередь содержит включения первичного коматиитового расплава, захваченного в процессе кристаллизации.

В 2016 году международная группа ученых во главе с академиком РАН Александром Соболевым из Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН, изучая в Канаде коматииты зеленокаменного пояса Абитиби (Abitibi greenstone belt) возрастом 2,7 млрд лет, обнаружила, что в микроскопических капельках магматического расплава, сохранившихся в виде включений в реликтовых кристаллах оливина, содержится вода (0,6%) и хлор, а также целый ряд других элементов, таких как рубидий, барий, свинец и стронций (Sobolev et al., 2016. Komatiites reveal a hydrous Archaean deep-mantle reservoir).

Это были первые полученные данные о содержании летучих компонентов в первичных магмах архейских коматиитов, доказывавшие присутствие воды и хлора в переходной зоне мантии (на глубине 410–660 км), где формировались мантийные плюмы, в неоархейское время. Учитывая то, что высокобарические разновидности оливина — вадслеит и рингвудит, которые являются главными минералами переходной зоны мантии, под высоким давлением способны содержать в своем составе до 2,5% воды (D. Pearson et al., 2014. Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond), масса «подземного океана» воды, заключенного в этих минералах, по крайней мере не меньше массы современного Мирового океана.

В новой статье в Nature та же научная группа опубликовала данные изучения расплавных включений, содержащих воду, в оливине из коматиитов зеленокаменного пояса Барбертон (ЮАР), имеющих возраст 3,3 млрд лет, то есть на 600 млн лет более древних, чем коматииты пояса Абитиби.

Авторы изучали химический и изотопный анализов включений с применением высокоточных инструментов локального микроанализа, таких как электронный микрозонд, масс-спектрометрия с лазерной абляцией и ион-микропробный анализ (ионный зонд). Предварительно включения подвергали гомогенизации с помощью нагрева до температуры коматиитовой магмы (более 1500°C) на высокотемпературной экспериментальной установке (рис. 2) с последующей моментальной закалкой и получением чистого закалочного стекла, которое уже использовалось для проведения анализов.

Рис. 2. Высокотемпературная экспериментальная установка (до 1700 °С) с контролем давления кислорода, установленная в ГЕОХИ РАН. Фото Александра Соболева из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Nature

Результаты исследования показали, что коматиитовый расплав содержит в среднем 0,28% Н₂О, температура его образования составляла более 1750°C, а температура в момент излияния — около 1550°C. В целом же по разным образцам содержание Н₂О в расплавных включениях колеблется от 0,10 до 0,56%. И это очень высокие показатели для древних коматиитовых магм, которые раньше вообще считались «сухими».

Ученые проанализировали содержание основных окислов и элементов в составе включений, включая редкоземельные элементы и сравнили это с составом так называемой примитивной мантии (см. Primitive mantle) — гипотетической оболочкой Земли, которая возникла на самых ранних этапах формирования нашей планеты вокруг обособившегося железного ядра (условный состав примитивной мантии получен расчетным путем как средневзвешенный состав современных земной коры и мантии). По результатам анализов выяснилось, что коматиитовый расплав по отношению к примитивной мантии резко обогащен двумя летучими компонентами — водородом, входящим в состав воды, и хлором. Причем это относится не только к коматиитам зеленокаменного пояса Барбертон, но и ко всем прочим коматиитам, данные по которым имелись у авторов, включая уникальные молодые (90 млн лет) коматииты острова Горгона в Колумбии (рис. 3).

Рис. 3. Элементный состав расплавных включений в оливинах из коматиитов по отношению к составу примитивной мантии, принятому за единицу: 1 — зеленокаменный пояс Барбертон (Южная Африка), 3,3 млрд лет; 2 — зеленокаменный пояс Белингве (Зимбабве), 2,7 млрд лет; 3 — зеленокаменный пояс Абитиби (Канада), 2,7 млрд лет; 4 — остров Горгона (Колумбия), 90 млн лет. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Полученные аналитические данные позволили ученым провести сравнение состава коматиитовых расплавов не только с составом примитивной мантии, но и с составом других производных мантийных расплавов — базальтовых магм. Наиболее информативными в этом плане являются геохимические отношения Н₂О/Се и Ba/Nb. Первое отношение хорошо тем, что не изменяется в процессе фракционной кристаллизации оливина, оставаясь постоянным от самого источника (резервуара), в котором формируется расплав, до места кристаллизации. Второе отношение позволяет разделить между собой базальты типа MORB (mid-ocean ridge basalt — базальты срединно-океанических хребтов), являющиеся прямыми производными верхней мантии, и базальты типа IAB (island arc basalt —базальты островных дуг), которые в своем составе помимо вещества верхней мантии имеют примесь материала континентальной земной коры (рис. 4).

Рис. 4. Отношения Н₂О/Се (церий) и Ba/Nb (барий/ниобий) в расплавных включениях в оливине базальтов (серые точки) и коматиитов (черные кружочки) в сравнении с примитивной мантией (зеленый ромб). Цветом выделены поля базальтов различных типов: MORB — базальты срединно-океанических хребтов; OIB — базальты океанических островов (ocean island basalts); ВАВ — базальты задуговых бассейнов (back-arc basin basalts); IAB — базальты островных дуг; СМВ — базальты активных континентальных окраин (continental margin basalts). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

В итоге выяснилось, что, судя по Н₂О/Се, коматииты демонстрируют резкую обогащенность водой по сравнению с верхнемантийными базальтами типа MORB. Вероятно, это связано с тем, что источник, обогативший водой коматиитовую магму, лежит ниже уровня образования этих базальтов, в переходной зоне между верхней и нижней мантией.

Для подтверждения данного предположения авторы использовали маркер отношения тяжелого (дейтерий, D или ²H) и легкого (протий, ¹H) изотопов водорода — D/¹H. Коэффициент δD (отклонение в отношении D/¹H в ‰ относительно стандартного отношения в современной морской воде) в океанической коре составляет от −20 до −50‰, а в мантии — около −60‰. Тот же коэффициент для расплавных включений в оливине коматиитов составил по результатам анализов около −140‰. Надо отметить, что авторами выполнены первые анализы изотопов водорода в коматиитовом расплаве.

Авторы объясняют полученные результаты следующим образом. Взаимодействие пород океанической коры (черный цвет на рис. 5) с морской водой, приводит к их изменению с образованием минералов, содержащих воду (с повышенным коэффициентом δD) и хлор, таких как серпентин, хлорит и другие. При переносе этих минералов в глубинную мантию в процессе субдукции океанической коры растущие температуры и давления приводят к их дегидратации, то есть преобразованию в другие, менее водонасыщенные минералы и выделению большей части воды и хлора в виде флюида. При этом дейтерий (D) — тяжелый изотоп водорода — в большей степени поступает во флюидную фазу воды, в то время как легкий изотоп протий (¹Н) в большей степени сохраняется в структуре минералов. Оставшиеся в дегидратированном материале Cl и H₂O попадают в переходную зону мантии (фиолетовый цвет) и концентрируются в высокобарических модификациях оливина — рингвудите и вадслеите.

Таким образом в переходной зоне возникает мантийный источник с повышенными содержаниями H₂O и Cl и низким значением δD. Мантийный плюм (желтый цвет) перемещается через переходную зону в частично расплавленном состоянии (красные капли символизируют степень плавления), что приводит к захвату воды и хлора из переходной зоны (фиолетовые точки). Последующий подъем плюма приводит к еще более обширному плавлению вследствие декомпрессии и отделению расплава, который изливается в виде коматиитовых лав на поверхности.

Рис. 5. Схема переноса H₂O и Cl измененной архейской океанической литосферой в переходную зону мантии и последующего захвата этого материала архейским мантийным плюмом. Рисунок © Е. В. Асафов из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Nature

Таким образом механизм переноса пород земной коры в глубинную мантию приводит к появлению уникальной геохимической метки мантийных пород — повышенным содержаниям воды и хлора и обедненному дейтерием изотопному составу водорода, — свидетельствующей о том, что механизм погружения насыщенной морской водой океанической коры в мантию функционировал уже более 3,3 млрд лет назад. А это значит, что уже в первый миллиард лет существования Земли происходил глобальный оборот вещества, составляющий основу современной тектоники плит, а источником избытка воды в переходной зоне мантии был древний океан на поверхности планеты.

Источник: Alexander V. Sobolev, Evgeny V. Asafov, Andrey A. Gurenko, Nicholas T. Arndt, Valentina G. Batanova, Maxim V. Portnyagin, Dieter Garbe-Schönberg, Allan H. Wilson, Gary R. Byerly. Deep hydrous mantle reservoir provides evidence for crustal recycling before 3.3 billion years ago // Nature. 2019. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1399-5.

Владислав Стрекопытов