В архее корни континентов росли за счет двусторонней субдукции

Рис. 1. Перидотит, главная порода верхней мантии Земли, под микроскопом. Снимок сделан в проходящем свете. Размер поля зрения — 200 мкм. Порода состоит из оливина (прозрачно-зеленый), ортопироксена (серо-зеленый) и граната (фиолетовый). Фото с сайта tcd.ie

Результаты петролого-термомеханического моделирования, выполненного на трех суперкомпьютерах в России и Швейцарии, показали, как менялись свойства подстилающей литосферу верхней мантии на протяжении четырех с половиной миллиардов лет — от архея до наших дней. Результаты исследования, первая часть которого была опубликована в прошлом году, а вторая — совсем недавно, позволили ответить сразу на несколько основополагающих вопросов геологии: в каком виде работала тектоника плит на ранних этапах развития нашей планеты, как образовались первые кратоны — зародыши континентов, почему их корни уходят так глубоко в мантию и почему к этим корням приурочены практические все алмазы на Земле. Ключевой вывод из построенной модели заключается в том, что в архее литосферные плиты были более пластичными, чем сейчас, поэтому при их столкновении одна из погружающихся в мантию плит увлекала за собой вторую, — то есть субдукция была двусторонней. Этот механизм обеспечивал доставку в мантию веществ, необходимых для формирования гранитной магмы, ставшей впоследствии «фундаментом» континентальных плит.

Тектоника плит — важнейший механизм, определяющий не только современный облик Земли, но и его эволюцию в геологическом прошлом. В основе этого механима — два основных процесса: раздвижение плит в зонах срединно-океанических хребтов и континентальных рифтов (спрединг) и компенсирующее это раздвижение погружение океанических литосферных плит под континентальные в зонах субдукции. Известно, что первые блоки континентальной коры возникли на Земле в архее (4,0–2,5 млрд лет назад) и что тогда же начались их горизонтальные перемещения. Но когда заработал механизм субдукции, неизвестно. Разные методы исследований дают разные ответы на этот вопрос.

Например, изучение изотопного состава серы в сульфидных включениях в алмазах показало, что атмосферная сера начала попадать в мантию около 3 млрд лет назад, а это значит, что уже в среднем архее в том или ином виде существовала субдукция (см. новость Сульфидные включения в алмазах свидетельствуют о том, что субдукция началась еще в архее, «Элементы», 06.05.2019).

Геологи, изучавшие древнейшие на Земле минералы — цирконы из района Джек-Хиллс (Jack Hills) в Западной Австралии возрастом от 4,3 до 3,0 млрд лет, — установили, 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 уже в раннем архее сформировались первые протоконтиненты, а осадочный материал с поверхности начал затягиваться в мантию в зонах субдукции (см. новость Древнейшие цирконы из Джек-Хиллс указывают на то, что тектоника плит началась 3,6 миллиарда лет назад, «Элементы», 21.05.2021).

Однако прямые геологические признаки субдукции в виде магматических пород, характерных для островных дуг и активных континентальных окраин — двух главных типов тектонических обстановок зон субдукции, — появляются в геологической летописи только в позднем протерозое (то есть уже позже 1 млрд лет назад). До этого, если механизм тектоники плит и действовал, то он, скорее всего, отличался от современного.

Ученые из России, Швейцарии и Австралии во главе с заведующим кафедрой петрологии и вулканологии геологического факультета МГУ им. Ломоносова профессором Алексеем Перчуком построили модель процессов, происходивших в мантии Земли на ранних этапах развития планеты. Результаты моделирования позволили ответить на целый ряд основополагающих вопросов геологии, в том числе — понять, как сформировались корни континентов, почему именно к ним приурочены области образования алмазов и чем отличались тектоно-магматические процессы в архее от современных. Первая часть работы была опубликована в прошлом году в журнале Nature (A. L. Perchuk et al., 2020. Building cratonic keels in Precambrian plate tectonics), вторая вышла недавно в журнале Scientific Reports.

Фрагменты древнейшей коры сегодня сохранились только на континентальных платформах, да и то, в их наиболее древних частях — кратонах, представляющих собой ядра протоматериков. Мощность литосферы — внешней твердой оболочки Земли, состоящей из земной коры и связанной с ней верхней части мантии — под кратонами достигает 150–200 км (а кое-где — и 350 км), в то время как в среднем для континентальной литосферы она составляет около 80 км. Эти самые глубокие области литосферы — так называемые корни континентов. На протяжении длительного геологического времени они обеспечивали тектоническую стабильность древних континентальных блоков и их гидростатическое равновесие с подстилающей мантией, поэтому их еще называют «кили кратонов» (cratonic keels).

Относительно механизма формирования глубинных корневых зон кратонов есть несколько гипотез. Некоторые ученые считают, что корни кратонов образовались в процессе субдукции, другие связывают их появление с вертикальным переносом вещества мантийными плюмами или с процессами переплавления оснований океанических платформ.

На первом этапе исследования авторы, используя мощности суперкомпьютера МГУ «Ломоносов» и двух суперкомпьютеров Швейцарской высшей технической школы Цюриха, создали цифровую модель, воспроизводящую особенности древней (архейской) океанической коры и мантии. Оказалось, что процесс субдукции в тот период сильно отличался от современного.

В современных условиях в зонах субдукции тяжелая верхняя мантия погружается вместе с океанической земной корой под континент и уходит на огромную глубину в сотни и тысячи километров. Там она вовлекается в процесс конвекции и циркулирует вместе с остальной мантией.

В докембрии верхняя мантия под океанами была довольно простого минерального и химического состава — в значительной степени обедненная железом и прочими компонентами, которые израсходовались на выплавление базальтов океанической коры. Мощность ее в то время была примерно в 4 раза больше, чем сейчас, — 30 км (по сравнению с современными 7 км). Кроме того, такая мантия, которую еще называют деплетированной или истощенной, была на 200–300°C горячее современной, а также более легкой и пластичной.

Если предыдущие гипотезы предполагали, что в корнях континентов находится переработанная кора (гипотеза субдукции) или приплавленный к основанию кратонов мантийный материал (гипотеза мантийных плюмов), то теперь авторы выяснили, что корни континентов формировались по неизвестному ранее механизму вязкого подтекания деплетированной мантии, подстилавшей когда-то океаническую кору.

Результаты моделирования показали, что докембрийская деплетированная мантия обладала положительной плавучестью по отношению к нижележащей мантии. Она не уходила на глубину вместе с субдуцирующей плитой, а отделялась от коры и затекала гигантскими «языками» под континент, где впоследствии застывала. В конце концов под континентом образовывалась стабильная слоистая структура, не конвектирующая вместе с остальной мантией. Эта структура оставалась на месте в течение нескольких миллиардов лет, формируя корни континентов. Они холоднее и легче, чем окружающая их мантия, а также отличаются от нее по составу.

Долгие годы перед геологами стоял неразрешимый вопрос: каким образом образовались эти древние корни и как они связаны с континентами. Интерес к этим структурам был связан еще и с тем, что мантийные части кратонов — это кладовая алмазов нашей планеты. Практически все алмазы, приуроченные к корням континентов, имеют возраст около 3 млрд лет, а в современных условиях не образуются.

Авторы исследования объясняют это следующим образом: при архейской субдукции легкая и горячая часть океанической мантии затекала под континент, а оставшаяся более холодная часть, насыщенная водными минералами, погружалась вместе с океанической корой на глубину. Там из нее выделялись углеродсодержащие водные флюиды, которые поднимались вверх и, дойдя до корней континентов, насыщали их углеродом, из которого позже кристаллизовались алмазы (рис. 2).

Рис. 2. Модель образования алмазоносных корней континентов. Красным пунктиром показана граница устойчивости графит-алмаз. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

В природных условиях кристаллизации алмазов начинается на глубинах от 140 км и более, при давлении выше 40 тысяч атмосфер, а на поверхность они выносятся в составе кимберлитовых расплавов, которые формируются из пород истощенной мантии ниже границы перехода графит-алмаз. При этом сами кимберлиты и трубки взрыва — структуры, которые они заполняют при прорыве на поверхность — обычно гораздо моложе захваченных ими из корневых частей континентов алмазов. Образование кимберлитовых трубок связано с периодами тектоно-магматической активизации древних кратонов, когда в них образуются каналы, по которым кимберлитовые расплавы за считаные часы поднимаются от основания континентов к поверхности.

На втором этапе исследований ученые с помощью своей модели посмотрели, как менялся механизм судбукции от архея (когда температура подлитосферной мантии превышала 1550°C) до наших дней (около 1300°C). Оказалось, что при температуре выше 1500°C ее характер коренным образом меняется. В отличие от субдукции в современном варианте, когда при встрече двух относительно жестких литосферных плит одна погружается под другую, для архейского времени более вероятным был механизм двусторонней «мягкой» субдукции, когда при столкновении двух пластичных океанических плит одна из них, погружаясь в мантию, увлекала за собой край другой (рис. 3).

Рис. 3. Петролого-термомеханическая модель двусторонней субдукции. При встречном столкновении двух океанических литосферных плит образуется V-образный клин (V-shaped terrain) — прообраз киля кратона. В его основании происходит частичное плавление океанической коры (partially molten oceanic crust), а оторвавшиеся от субдуцирующих плит фрагменты деплетированной мантии (depleted mantle) затем поднимаются к основанию клина, насыщая его углеродом, кремнеземом и водой (hydrated mantle). Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

При этом в верхней мантии формировался клин глубиной до 150–200 км, состоящий из пород океанической коры с большим количеством воды и прочих летучих компонентов. При переплавке на глубине такие породы могли дать начало очагам гранитной магмы, а мантийные клинья — стать зародышами кратонов, ядер современных континентов (наличие гранитного слоя — главное отличие континентальной земной коры от океанической) (рис. 4).

Рис. 4. Архейская двусторонняя (слева) и современная односторонняя (справа) субдукции. Авторы исследования считают, что корни древних континентов росли за счет образования под ними мантийного клина из «затекающего» слоя обедненной (истощенной) по своему химическому составу подлитосферной мантии. Рисунок из пресс-релиза к обсуждаемой статье в Scientific Reports

Истощенная мантия присутствует под океанической корой и в настоящее время, однако сейчас ее толщина значительно меньше. Она возникает при частичном плавлении перидотитов (основных пород верхней мантии) в зонах спрединга, где рождается океаническая кора. К тому же, сейчас слой деплетированной мантии расположен не в основании, а внутри литосферной плиты, и вместе с ней погружается в зоне субдукции до переходной зоны мантии или глубже — в нижнюю мантию.

Выводы, которые делают авторы исследования, исходя из результатов цифрового моделирования, хорошо согласуются с практическими наблюдениями. Данные геофизических и геохимических исследований указывают на то, что в корнях континентов кора и литосферная мантия оставались связанными на протяжении всей геологической истории — от архея до наших дней. Причем по составу эта архейская субконтинентальная мантия сильно отличается от окружающей ее более молодой мантии — в ней заметно выше отношение Si/Mg, она существенно холоднее и имеет признаки значительной метасоматической переработки в более позднее протерозойское и фанерозойское время (W. L. Griffin et al., 2003. The origin and evolution of Archean lithospheric mantle).

А результаты недавнего исследования ксенолитов перидотитов показали, что породы из килей архейских кратонов существенно обогащены кремнеземом по сравнению с перидотитами из более молодой мантии (E. L. Tomlinson, B. S. Kamber, 2021. Depth-dependent peridotite-melt interaction and the origin of variable silica in the cratonic mantle), что может указывать на их образование из деплетированных расплавов. По данным авторов, такие богатые кремнеземом породы перестали образовываться в литосферной мантии Земли примерно 2,5 млрд лет назад, на рубеже архея и протерозоя.

Источники:
1) A. L. Perchuk, T. V. Gerya, V. S. Zakharov, W. L. Griffin. Building cratonic keels in Precambrian plate tectonics // Nature. 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2806-7.
2) A. L. Perchuk, T. V. Gerya, V. S. Zakharov, W. L. Griffin. Depletion of the upper mantle by convergent tectonics in the Early Earth // Scientific Reports. 2021. DOI: 10.1038/s41598-021-00837-y.

Владислав Стрекопытов