Неоднородная гидратированная мантия обеспечила быструю эволюцию Земли в катархее

Рис. 1. Так по представлению художника выглядела поверхность Земли в катархее (на заднем плане — Луна). Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Катархейский, или гадейский, эон (4,5–4,0 млрд лет назад) — самый ранний период геологической истории Земли, длившийся еще до появления континентов, атмосферы, океанов и первых проявлений жизни. В начале катархея Земля представляла собой сплошной океан магмы, а к его концу уже была похожа на ту планету, на которой мы живем сейчас. Никаких горных пород, относящихся к этому времени, не сохранилось, поэтому все реконструкции эволюции Земли в катархее — теоретические. Но у всех этих реконструкций есть проблема: слишком много изменений должно было произойти за очень короткий, по геологическим меркам, период, а это трудно объяснить, исходя из существующих представлений о геологических процессах. Недавно американские исследователи предложили модель, лишенную этой проблемы. Согласно их модели, формирование земной коры, расслоенной мантии и водного океана в катархее происходило одновременно и эти три процесса были взаимосвязаны.

Возраст Земли составляет 4,54 миллиарда лет (с погрешностью ±1%). Эти данные базируются на радиоизотопной датировке метеоритов (хондритов), возникших еще до начала формирования планет. Период от возникновения Земли за счет аккреции космического материала до времени образования современной земной коры (4,54–4,0 млрд лет назад) называют в русскоязычной геологической литературе катархеем, а в англоязычной — гадеем (см. Hadean).

Начавшая формироваться в катархее первичная литосфера была полностью переработана и погрузилась в расплавленную верхнюю мантию в архейское время, когда вся поверхность Земли во время Поздней тяжелой бомбардировки (4,1–3,8 млрд лет назад) покрылась магматическим океаном. Поэтому как таковых катархейских пород на Земле нет, но от них сохранились небольшие фрагменты — зерна обломочного циркона, которые геологи находят в осадочных породах более позднего возраста. Когда-то они входили в состав магматических пород катархейской литосферы. При разрушении и переработке последних эти чрезвычайно прочные, химически устойчивые и тугоплавкие минералы сохранились. Самые древние цирконы (возрастом 4,4–4,0 млрд лет) находят в метаморфизованных конгломератах архейского возраста (2,65–3,05 млрд лет) из района Джек-Хиллс (Jack Hills) в Западной Австралии.

Как правило цирконы содержат в качестве примесей уран и торий, что позволяет довольно точно определять их возраст с помощью радиометрического датирования, а анализ микровключений и изотопного состава дает информацию об условиях, существовавших в момент их кристаллизации. Однако все модели эволюции Земли в катархее, построенные по этим данным, до сих пор сталкивались с одной и той же проблемой — невозможностью объяснить чрезвычайно высокую скорость, с которой происходили изменения.

Геохимические особенности цирконов из Джек-Хиллс указывают на то, что 4,3 млрд лет назад Земля уже имела парогазовую атмосферу, на ее поверхности присутствовала жидкая вода, а климат был близок к современному. То есть, всего за 250 млн лет бурлящий магматический океан, покрывавший всю поверхность Земли, превратился в пригодную для жизни среду. К этому же времени завершилось внутреннее расслоение недр с образованием континентальной (гранитной) земной коры и мантии (S. A. Wilde et al., 2001. Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago). Для любых геологических процессов это слишком короткий срок.

Американские исследователи Ёшинори Миядзаки (Yoshinori Miyazaki) из Калифорнийского технологического института и Джун Коренага (Jun Korenaga) из Йельского университета представили в журнале Nature новую модель, снимающую эти противоречия. В основе ее лежит гипотеза о том, что первичная мантия Земли была неоднородной, содержала большое количество воды и в ней преобладали пироксениты с высоким содержанием магния.

Все предыдущие модели исходили из того, что первичная мантия, как и современная, имела однородный химический состав, поддерживаемый общемантийной конвекцией. Это так называемая гипотеза мантийного пиролита (см. pyrolite), предложенная австралийским геологом Тедом Рингвудом в 1962 году. Рингвуд рассчитал, что базальты срединно-океанических хребтов, которые считаются производными пород верхней мантии, можно получить при плавлении одной части толеита (толеитового базальта) и трех частей дунита, а главными минералами мантийных пород являются пироксены и оливин (отсюда возник термин «пиролит» — ПИРоксены и ОЛИвин).

Традиционные теории формирования Земли предполагают, что первичная атмосфера сформировалась из газов, прежде всего CO₂ и водяного пара, высвобождавшихся при застывании океана магмы. При этом из практически полностью обезвоженного расплава формировались породы мантии, а плотная атмосфера создавала мощный парниковый эффект, который был одной из причин экстремально горячего климата на ранней Земле. Однако данные по цирконам указывают на то, что к концу катархея парциальное давление CO₂ было уже ниже 1 бар, а температура поверхности резко снизилась. Это говорит о том, что действовал какой-то мощный механизм изъятия углекислого газа из атмосферы.

В настоящее время глобальный цикл углерода действует следующим образом: атмосферный CO₂ преобразуется в океанических бассейнах в карбонатные минералы, которые осаждаются на поверхность океанической плиты, а затем вместе с ней затягиваются в мантию в зонах субдукции. Переплавленный материал плиты формирует магматические расплавы, которые поднимаются к поверхности. В процессе вулканизма CO₂ возвращается в атмосферу. Таким образом поддерживается равновесие ее состава. Регулярное снижение содержания углекислого газа в атмосфере возможно, только если часть CO₂ остается в связанном виде в мантии.

Авторы исследования предположили, что при застывании магматического океана образовывалась не однородная и практически сухая, а частично сохранившая воду мантия. По их расчетам, неоднородная гидратированная мантия способна поглощать в десять раз больше углекислого газа, чем пиролитическая. При таком варианте удаление избыточного углекислого газа из атмосферы могло завершиться уже через 160 млн лет после начала тектоники плит. Если бы мантия была пиролитической, то парциальное давление СО₂ в атмосфере оставалось бы выше 10 бар в течение 1,5 млрд лет, то есть как минимум до середины архея (рис. 2).

Рис. 2. Эволюция состава атмосферы и температуры поверхности после начала тектоники плит. а — изменения состава атмосферы в случае химически неоднородной (сплошные линии) и однородной пиролитической (пунктир) мантии. Начальное парциальное давление CO₂ принято на уровне 200 бар, что соответствует объему, выделившемуся из магматического океана с содержанием 300 ppm CO₂. Моделирование проводилось до условного поглощения всего углекислого газа атмосферы мантией. b — изменение поверхностной температуры Земли в случае неоднородной (сплошная линия) и однородной (пунктир) мантии. По горизонтали — время в млн лет. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Авторы считают, что в процессе охлаждения магматический океан ранней Земли довольно быстро потерял текучесть. В петрологии принято считать, что магма начинает вести себя как твердое тело с точки зрения реологии, когда доля расплава в ней снижается до 40 вес. %, а 60% уже является раскристаллизованной массой. При этом вода может оставаться в расплавной части до тех пор, пока ее доля в ней не опустится ниже 0,2 вес. %. Исходя из этого, исследователи предположили, что начальный объем воды в мантии составлял 0,04–0,1 вес. %. Это примерно соответствует 1,2–3 массам современного океана. В отличие от воды, большая часть CO₂ дегазировалась в атмосферу еще в начале катархея, потому что CO₂ менее растворим чем H₂O в силикатном расплаве.

Затвердевшая первичная мантия с законсервированной в ней водой непрерывно перемещалась вниз за счет неустойчивости Рэлея — Тейлора, а навстречу, в процессе перколяции, к поверхности двигался поток водяного пара и других летучих компонентов, просачивающийся сквозь пористую среду частично расплавленной верхней мантии. Другими словами, одновременно протекали взаимосвязанные процессы расслоения мантии и образования водного океана на поверхности Земли.

Когда температура поверхности опустилась ниже 1000°C, начала образовываться земная кора. Поверхностный слой верхней мантии, обогащенный пироксенами и оливином, застыл в виде океанической коры. Поднимающийся из более глубоких слоев обогащенный летучими компонентами перколяционный поток расплава создавал на своем пути магматические очаги, при излиянии из которых сформировался поверхностный изверженный слой — прообраз континентальной коры. При этом между гидратированной нижней мантией и корой появился слой деплетированной (истощенной) литосферной мантии (рис. 3).

Рис. 3. Этапы эволюции верхней мантии в катархее. а — первичный магматический океан разделяется на два реологически различных слоя: в верхнем преобладает неоднородный расплав (melt-dominated layer) с участками частичной кристаллизации (grains), в нижнем — твердая фаза (solid-dominated layer) с «карманами» расплава, обогащенными летучими веществами (volatile-rich melt pocket, красные квадратики). Между слоями отсутствует обмен летучими компонентами (no volatile exchange), а в нижнем слое происходит перемешивание за счет неустойчивости Рэлея — Тейлора (RT instability). b — охлаждение верхней части мантии приводит к исчезновению верхнего расплавного слоя, возникает перколяция — процесс порового просачивания обогащенного водой расплава к поверхности (melt percolation). В нижней части верхней мантии формируется твердый слой (solidified layer). с — излияния магмы, обогащенной летучими веществами, формируют изверженный слой (erupted melt), под которым остается истощенная обезвоженная мантия. Высвобождающейся при извержениях воды достаточно, чтобы на поверхности Земли образовался океан. В мантии вода сохраняется в связанном виде только в самых нижних слоях верхней мантии (hydrated mantle). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

По мнению исследователей, в раннем катархее тектоника плит в современном ее виде отсутствовала, так как в горячей, расслоенной по химическому составу мантии еще не началась тепловая конвекция. Скорее всего, быстрое обновление поверхности, необходимое для переноса и накопления СО₂ в мантии, происходило благодаря другому процессу — фракционной кристаллизации (см. Fractional crystallization) силикатов магния и железа.

Согласно результатам моделирования, которое провели авторы, первым из расплава химически неоднородной мантии выпадал бриджманит (MgSiO₃) — Mg-силикат со структурой перовскита (см. silicate perovskite), который в процессе гравитационной дифференциации опускался вниз. Сегодня это один из главных минералов нижней мантии. Оставшаяся фракция расплава, обогащенная железом, формировала сгустки, вкрапленные в матрицу пироксенита с высоким содержанием магния. Моделирование показало, что такая пироксенитовая мантия с мелкомасштабной неоднородностью по Mg—Fe, не позволяет сформироваться толстому слою деплетированной литосферной мантий, который служит подложкой для движения литосферных плит. Да и сама земная кора над ним будет тоньше, чем в случае однородной пиролитической мантии (рис. 4).

Рис. 4. а — Толщина земной коры (crust) и деплетированной литосферной мантии (DLM — depleted lithospheric mantle) для модели пиролитической (pyrolytic) и неоднородной (heterogeneous) мантии. Серыми квадратиками показаны участки, обогащенные железом в магнезиальной мантии. Стрелками — конвекционные потоки. b — Зависимость толщины деплетированной литосферной мантии (сплошные линии) и океанической коры (пунктирные линии) для пиролитической (черным) и неоднородной (красным) мантии. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Авторы также оценили возможную скорость движения литосферных плит после начала плитной тектоники для двух вариантов мантии: однородной и неоднородной. Во втором случае она оказалась намного выше (рис. 5).

Рис. 5. Скорость движения плит (по вертикали, в см/год) в зависимости от температуры мантии (по горизонтали, в °C) в химически неоднородной (красным) и пиролитической (черным) мантии. В последнем случае скорость при температуре выше 1590°C дополнительно ограничена плавучестью (buoyancy constraint). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Исходя из полученных результатов, авторы делают вывод о том, что в катархее мантия была не пиролитическая, а гетерогенная, а первичные литосферные плиты двигались со значительно большей скоростью, чем сейчас. Как следствие, удаление СО₂ из атмосферы происходило на порядок быстрее, что привело к тому, что уже к концу катархея на Земле сформировались условия для зарождения жизни. Исследователи считают, что наиболее благоприятными для этого были места, где молодая океаническая кора контактировала с морской водой. Богатые оливином породы верхней мантии подвергались при этом серпентинизации — процессу гидротермального изменения, при котором оливин замещается водным силикатом магния — серпентином.

Сегодня процесс серпентинизации ультраосновных магматических пород мантийного происхождения, к которым относятся и пироксениты, можно наблюдать в срединно-океанических хребтах. В частности, в 2000 году в центральной части Атлантического океана ученые обнаружили гидротермальное поле, получившее название «Затерянный город» (см. Lost City Hydrothermal Field). Здесь на глубине 750–900 м от поверхности, на склоне подводного горного массива Атлантис (см. Atlantis Massif) океанологи обнаружили множество серпентинит-известняковых построек высотой до 60 м, образовавшихся над выходами горячих источников (рис. 6).

Рис. 6. Карбонатные постройки (слева) и серпентинизированная порода на дне Атлантического океана в районе гидротермального поля «Затерянный город». Фото с сайта wikipedia.org

От широко известных «черных курильщиков», также расположенных в зонах срединно-океанических хребтов, эти гидротермы отличаются более низкой температурой (около 200°C) и щелочным составом — они обогащены соединениями натрия, калия, кальция, магния, железа, марганца и кремния, а также элементарным водородом и углекислым газом.

Башни «Затерянного города» привлекли внимание ученых прежде всего тем, что они микропористые, а размеры пор близки по размерам биологическим клеткам. Учитывая, что в щелочных источниках идет активный абиотический синтез множества простых органических молекул на основе метана и водорода, подобные образования в катархее могли стать отличным местом для зарождения жизни.

Источник: Yoshinori Miyazaki, Jun Korenaga. A wet heterogeneous mantle creates a habitable world in the Hadean // Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-021-04371-9.

Владислав Стрекопытов