На дне Индийского океана найдена порода архейского возраста

Рис. 1. Один из образцов абиссального перидотита, извлеченный при драгировании в районе Западно-Индийского хребта (SWIR, Southwest Indian Ridge). Эти породы датируются археем (~2,7–2,8 млрд лет назад), что крайне нетипично для океанического дна, поскольку самая древняя океаническая кора имеет возраст не более 200 млн лет. Одно из наиболее вероятных объяснений, заключается в предположении, что этот образец — фрагмент основания Капваальского кратона в Южной Африке. Фото с сайта eurekalert.org

Океаническая кора формируется в зонах срединно-океанических хребтов, а поглощается в зонах субдукции, «подминаясь» под континентальную кору и погружаясь в верхнюю мантию, где происходит ее переплавка. Полный цикл жизни океанической коры занимает не более 200 млн лет. Но иногда в результате драгирования попадаются существенно более древние породы с океанического дна. И это требует объяснения. Исследуя поднятые со дна Индийского океана образцы, ученые установили, что их возраст составляет 2,8 млрд лет (это рекорд для донных пород!) и что по ряду характеристик они схожи с породами Капваальского кратона (расположенного на юге Африки в 2000 км к северу). Авторами предложена модель, согласно которой мантийные плюмы могут разрушать основание кратона и переносить его куски через астеносферу на тысячи километров. Оказаться на поверхности они могут только в зонах срединно-океанических хребтов вместе с новообразованной океанической корой.

Современную геологию сложно представить без физики, химии, математических и компьютерных моделей. Они позволяют ученым-геологам изучать все более древнее прошлое Земли. При этом, естественно, чем древнее, тем больше остается открытых вопросов. Особенно полна загадок архейская эпоха, длившаяся с 4 по 2,5 млрд лет назад. Это связано с тем, что на Земле очень мало мест, где на поверхность выходят столь древние породы. Сложностей добавляет и то, что они зачастую сильно изменены, то есть их свойства в той или иной степени изменились из-за последующих геологических процессов. Но именно в архее таятся ответы к, пожалуй, одним из самых волнующих загадок, стоящих перед современной наукой: как, когда и при каких условиях на Земле зародилась жизнь. В архее Земля начала принимать современный облик — образовались первые континентальные блоки (см. Сульфидные включения в алмазах свидетельствуют о том, что субдукция началась еще в архее, «Элементы», 06.05.2019) и начала свою работу тектоника плит (см. Древнейшие цирконы из Джек-Хиллс указывают на то, что тектоника плит началась 3,6 миллиарда лет назад, «Элементы», 21.05.2021). Также у ученых уже практически нет сомнений, что в архее зародилась жизнь (см., например, Пористый пирит — еще один аргумент в пользу органической природы строматолитов из Пилбары, «Элементы», 08.10.2019).

Благодаря запустившейся ~3,6 млрд лет назад тектонике заработал «конвейер» по производству и утилизации океанической коры: она постоянно формируется в срединно-океанических хребтах (СОХ, см. спрединг) и погружается в мантию в зонах субдукции (как правило расположенных по краям океанов, на границах океанических и континентальных плит). Непосредственно наблюдать все эти процессы ученые, увы, не могут, но по совокупности экспериментальных данных и результатов моделирования можно утверждать, что астеносфера частично расплавлена — в очень малой, но тем не менее достаточной степени, чтобы придать ей пластичность и позволить литосферным плитам по ней перемещаться.

Разные СОХ отличаются по скорости спрединга: условно их делят на быстрые, средние, медленные и ультрамедленные (рис. 2). Скорость спрединга влияет на форму хребтов. При быстром спрединге вулканические отложение распределяются практически непрерывно вдоль оси хребта, а их мощность колеблется от десятков метров на оси до нескольких сотен метров в пределах нескольких километров от хребта. При ультрамедленном спрединге вдоль оси хребта располагаются отдельные зоны с активным вулканизмом, разделенные сотнями километров океанического дна с минимум вулканических отложений. Мантийные породы тут «выдавлены» на морское дно тектоническими процессами.

Рис. 2. Профиль высот через срединно-океанические хребты с разными скоростями спрединга. Сверху вниз: Восточно-Тихоокеанское поднятие (East Pacific Rise, 10,6 см в год), хребет Хуан-де-Фука (Juan de Fuca Ridge, 6 см в год), Срединно-Атлантический хребет (Mid-Atlantic Ridge, 1,5 см в год), Западно-Индийский хребет (Southwest Indian Ridge, 0,14 см в год). Рисунок из статьи S. A. Soule, 2015. Mid-Ocean Ridge Volcanism

Образование пород океанической коры происходит в ходе декомпрессионного плавления — по мере подъема магмы к поверхности падает давление, что позволяет твердым и разогретым до очень высоких температур породам плавиться. При этом разные породы кристаллизуются при разных условиях. Одним из первых кристаллизуются базальты — породы, сложенные в основном плагиоклазами, пироксенами и некоторыми другими минералами. Океаническая кора состоит преимущественно из базальтов.

После выплавки и излияния базальтов в магматическом источнике остается порода, сложенная в основном оливином и пироксенами — перидотит. В большинстве зон СОХ перидотиты скрыты вышележащими базальтами и только изредка можно найти так называемые абиссальные перидотиты, благодаря которым можно судить в частности, о степени неоднородности мантии.

Изучение абиссальных перидотитов из различных сверхмедленных СОХ показало, что они отличаются друг от друга по тонким геохимическим признакам, а некоторые из них гораздо — на сотни миллионов лет — старше окружающего океанического дна (J. M. Warren, 2016. Global variations in abyssal peridotite compositions). Это было неожиданно, так как считалось, что астеносфера однородна и хорошо гомогенизирована благодаря конвективному перемешиванию. Объяснить этот результат можно двумя способами. Во-первых, такие древние абиссальные перидотиты могут быть фрагментами древней океанической литосферной мантии, снова вынесенными на поверхность (рециклированными) из-за каких-то локальных особенностей субдукции. Во-вторых, они могут являться фрагментами континентальной литосферной мантии, перенесенными в астеносфере на новое место. Разрушение литосферной мантии под архейскими кратонами — не редкость, а древний материал литосферы может при определенных условиях существовать, не расплавляясь, в астеносфере. Могут ли древние фрагменты континентальной литосферной мантии могут переноситься астеносферой к срединно-океаническим хребтам, где они участвуют в формировании новой океанической коры?

В недавней статье ученых из Китая, США и Германии дан положительный ответ на этот вопрос. Они изучили куски пород, собранные со дна в районе Западно-Индийского хребта в ходе глубинного драгирования. Как уже отмечалось для этой зоны характерны ультрамедленные скорости спрединга. К тому же он расположен относительно недалеко от архейского кратона Каапвааль (Kaapvaal Craton) в Южной Африке (рис. 3). Совокупность этих факторов делает этот район идеальным для поиска следов древних «континентов» в мантии. Но чтобы сделать какие-то надежные выводы, образцы нужно как можно более точно датировать.

Рис. 3. Карта региона исследований с отмеченными точками отбора проб. Красным отмечены места, где со дна были подняты базальтовые образцы, зеленым — перидотитовые. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Из-за того, что абиссальные перидотиты сложены по большей части оливином, пироксеном и другими минералами, для их датировки не годится самый надежный геохронологический инструмент — U-Th-Pb-датирование по циркону или бадделеиту. Из всего многообразия методов радиоизотопного датирования для данных пород лучше всего годится Re-Os-датирование. Оно основано на анализе отношений изотопов рения и осмия ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os и ¹⁸⁷Re/¹⁸⁸Os в образцах. При β-распаде происходит переход ¹⁸⁷Re→¹⁸⁷Os. Поэтому, зная период полураспада ¹⁸⁷Re и количество ¹⁸⁷Os, можно вычислить, сколько времени понадобилось, чтобы образовался весь осмий-187 в образце. Для этого вычисленные отношения ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os и ¹⁸⁷Re/¹⁸⁸Os для исследуемого образца наносят на график (осями которого являются эти же отношения). Как правило, для одного образца получается множество точек (поскольку замеры изотопов делаются в разных местах). Наклон линии регрессии (изохроны) для этого множества и определяет возраст образца. Этот метод хорошо работает при датировании, например, молибденита или сульфидных руд.

Проблема в том, что для перидотитов изохроны не отличаются надежностью и не соответствуют статистическим критериям (ведь рения в них толком не осталось уже давно). Но существует способ обойти эту проблему. Так как изотоп ¹⁸⁷Os радиогенный (то есть он появляется только в результате распада ¹⁸⁷Re) и стабильный, он накапливается и отношение ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os с течением геологического времени увеличивается. Для образцов из разных источников можно построить модельные линии, показывающие, как со временем в них менялось соотношение изотопов осмия (например, на рис. 4 показаны кривые эволюции осмия в верхней примитивной мантии и в хондрит-подобной мантии).

Рис. 4. Кривая эволюции ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os для верхней примитивной мантии (PUM) и хондрит-подобной мантии (CI). График из статьи A. Luguet, D. G. Pearson, 2019. Dating mantle peridotites using Re-Os isotopes: The complex message from whole rocks, base metal sulfides, and platinum group minerals

Теперь, зная, как менялось соотношение изотопов осмия, можно вычислить возраст образца двумя способами. Первый (T_MA) основан на измерении ¹⁸⁷Re/¹⁸⁸Os, а второй (T_RD) на измерении ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os. Модельные значения возраста T_MA и T_RD в идеале должны быть близки друг к другу. Но если образец испытал сильное плавление, то практически весь рений из него исчезает и модельный возраст T_MA получается некорректным. Какой тогда возраст следует выбрать? Существуют геохимические критерии. В частности, нужно смотреть на содержание элементов в минералах — магния в оливине и хрома в шпинели: чем эти значения выше, тем большее плавление испытала порода (и, следовательно, тем меньше можно доверять оценке возраста T_MA).

Сравнив данные для изученных абиссальных перидотитов с известными из литературы, авторы выяснили, что эти породы в прошлом подвергались нагреву до очень высоких температур. Это значит, что почти наверняка значение T_MA показывает некорректный возраст, а значение T_RD датирует событие плавления, при котором из породы ушел рений. За неимением лучшего это и является наиболее точной оценкой возраста породы (и, естественно, это оценка снизу — порода на самом деле может оказаться еще старше). Для изученных абиссальных перидотитов он составил от 2,28–2,78 млрд лет.

Авторы обратили внимание на то, что по изотопному отношению ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os изученные перидотиты со дна Индийского океана похожи на ксенолиты из кратона Каапвааль, находящегося в 1500 км к северу. Они предположили, что эти перидотиты являются обломками так называемых «корней» этого кратона и предложили сценарии, объясняющие судьбу этих образцов. По их мнению, вероятнее всего, что кратон был частично разрушен в результате распада Гондваны в юрском периоде, в результате чего некоторые его «обломки» попали в астеносферу и были перенесены на юг, в зону СОХ. Согласно альтернативному сценарию, плюмовая активность под кратонами Западной Гондваны благодаря сильному нагреву могла привести к обрушению (деламинации) корней кратона и его истончению (рис. 5). Деламинация основания кратона, вызванная плюмами, подтверждается исследованиями мантийных ксенолитов, найденных кимберлитах на юго-западе Каапваальского кратона. Перенос архейской литосферной мантии из кратона Каапвааль в зону Западно-Индийского хребта хорошо согласуется с текущими геофизическими исследованиями.

Рис. 5. Возможный сценарий транспортировки образцов породы от Капваальского кратона в зону Западно-Индийского хребта. Можно выделить три стадии. 1 — разрушение нижней части кратона под действием мантийного плюма (деламинация) и перенос обломков к срединно-океаническому хребту. 2 — часть фрагментов выносится в районе СОХ при медленном спрединге океанического дна. 3 — в конечном итоге субдукция возвращает фрагменты кратона обратно в мантию на большие глубины. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Несмотря на то, что выводы авторов о возрасте и происхождении образцов выглядят довольно убедительно, нельзя полностью исключать, что они все-таки являются фрагментами древней океанической (а не континентальной) коры. Пока что проверить это едва ли возможно, поскольку достоверных аналогов настолько древней океанической коры ученым не известно. Вместе с тем, обсуждаемая работа демонстрирует, что рециклинг пород в астеносфере вполне реален, а значит его необходимо учитывать в геофизических моделях.

Источник: Chuan-Zhou Liu, Henry J. B. Dick, Ross N. Mitchell, Wu Wei, Zhen-Yu Zhang, Albrecht W. Hofmann, Jian-Feng Yang, Yang Li. Archean cratonic mantle recycled at a mid-ocean ridge // Science Advances. 2022. DOI: 10.1126/sciadv.abn6749.

Александр Марфин