Елементний склад континентальної кори допоміг датувати початок тектоніки плит

Ріс. 1. Загальний вид Землі в ранньому археї (Early Arhean) і сьогодні (Present day). Руді плями — протоконтиненти, складені породами, багатими магнієм і залізом (mafic — «мафічні» породи). Їхнє розташування і форма — умовні, малюнок відображає лише загальну ідею про те, що площа і товщина континентів були невеликі. Зелений колір океану символізує високу концентрацію двовалентного заліза (Fe² +), розчиненого в морській воді. Позначення: UCC composition — склад верхньої континентальної кори, Global plate tectonics — глобальна тектоніка плит, Transition — перехід, Felsic — «фельзичні», багаті кремнієм і алюмінієм гірські породи. Малюнок з прес-релізу до обговорюваної статті в Science

Океанічна кора нашої планети, як і поверхневий шар інших планет земної групи, складається в основному з багатих магнієм важких порід, таких як базальти, тоді як у верхній континентальній корі переважають бідні магнієм легкі породи, такі як граніти. Чи завжди склад континентів був таким же, як зараз, визначити важко, тому що древні магматичні породи вибірково зруйновані ерозією, а з осадових порід магній вимивається. Американські геохіміки подолали цю трудність, показавши, що про вихідний вміст магнію в породі можна судити за співвідношенням інших, невимиваних елементів: нікелю, кобальту, хрому і цинку. Виявилося, що аж до 3 млрд років тому континенти були складені високомагнезіальними породами, а протягом пізнього архею (3,0-2,5 млрд років тому) континенти швидко розросталися за рахунок формування гранітів. Це свідчить про старт глобальної тектоніки плит близько 3 млрд років тому, тому що для утворення гранітів в мантію має надходити багато води, що відбувається при зануренні океанічної кори в мантію в зонах субдукції.

Вміст магнію вважається найважливішою характеристикою магматичних гірських порід. Породи, багаті магнієм (а заодно, як правило, і залізом), називають «мафічними» (mafic — від слів magnesium і ferric). З мафічних порід (базальтів) в основному складена океанічна кора, яка постійно утворюється в рифтових зонах уздовж срединно-океанічних хребтів, позається в сторони, а потім (через пару сотень мільйонів років) відправляється в мантію на переплавку, занурюючись під континентальні плити в зонах субдукції.

Породи, бідні магнієм, називають «фельзичними» (felsic, від слів feldspar — польовий шпат і silica — діоксид кремнію). Фельзичні породи, такі як граніти, легші мафічних. Вони складають основу сучасних континентів, плаваючих, як легка пінка, на більш щільних, в’язких породах астеносфери.

Низький вміст магнію у верхній континентальній корі відрізняє земні континенти не тільки від океанічної базальтової кори, а й від інших планет земної групи (Марса, Венери, Меркурія, а також Місяця), у поверхневих шарах яких багато магнію. Можливо, своєрідний склад земних континентів пов’язаний з іншою унікальною особливістю нашої планети, а саме з тектонікою плит. Справа в тому, що граніти утворюються при застиганні магми, що містить багато води, а в зонах субдукції відбувається постійне закачування води в мантію. У планет, які не мають тектоніки плит (а значить, і субдукції), товсті гранітні континенти не повинні формуватися.

В який момент в астеносфері почалася стійка конвекція і стартувала тектоніка плит — питання спірне. Одні геологи відносять цю подію до самого початку історії планети (4,0-4,5 млрд років тому), інші поміщають її в порівняно недавнє минуле (0,8 млрд років тому або навіть пізніше), треті схиляються до проміжних датувань. Щоб вирішити це питання, важливо знати, чи були земні континенти низькомагнезіальними з самого початку або їх гранітні товщі сформувалися пізніше, а спочатку континентальна кора мала інший склад.

Визначити вміст магнію в стародавній континентальній корі — технічно складне завдання. До її вирішення можна йти двома шляхами, але обидва пов’язані з важкорозв’язними проблемами.

Ріс. 2. Співвідношення Ni/Co і Cr/Zn позитивно корелюють із вмістом оксиду магнію (MgO) у зразках найдавніших архейських (сині лінії) і більш молодих пост-архейських (зелені лінії) магматичних порід. Зображення з обговорюваної статті в Science

По-перше, можна просто взяти і виміряти вміст магнію в збережених стародавніх магматичних породах. Однак те, що збереглося, не є репрезентативною вибіркою того, що було. Верхня континентальна кора постійно знищується ерозією, причому мафічні породи можуть руйнуватися швидше, ніж фельзичні.

Другий підхід заснований на аналізі давніх терригованих осадових порід, які формувалися з крупинок зруйнованих ерозією магматичних порід. Терригенні опади зручні тим, що являють собою більш репрезентативну вибірку порід, що складали стародавні континенти. Але тут є інша проблема: при формуванні терригованих осадових порід велика частина магнію з них просто-напросто вимивається.

Геохіміки з Мерілендського університету (США) знайшли гарне вирішення цієї проблеми. Вони виявили, що в магматичних породах кількість магнію корелює зі співвідношеннями чотирьох інших, порівняно рідкісних елементів, які не вимиваються при формуванні терригенних осадових порід. Як з’ясувалося, чим більше в магматичній породі магнію, тим вище в ній співвідношення нікелю до кобальту (Ni/Co) і хрому до цинку (Cr/Zn). Ці співвідношення визначаються закономірностями фракціонування хімічних елементів при розшаруванні рідкої магми. Це правило працює як для найдавніших (архейських), так і для більш молодих пост-архейських магматичних порід (рис. 2).

Виявлена закономірність дозволяє судити про початковий вміст магнію в тих магматичних породах, з крупинок яких сформувалися терригенні осадові породи, незважаючи на те, що з останніх значна частина магнію була вимита.

Автори використовували знайдену залежність для з’ясування питання про склад найдавніших континентів. Для цього вони виміряли співвідношення Ni/Co і Cr/Zn в сотнях зразків різновікових тонкозернистих терригенних осадових порід з усіх кінців Землі. Виявилося, що в найдавніших породах віком 3,5-3,0 млрд років ці співвідношення максимальні, в породах пізнього архею (3,0-2,5 млрд років тому) вони знижуються, і вже на початку протерозою (2,5-2,0 млрд років тому) досягають сучасних низьких значень (рис. 3).

Ріс. 3. Співвідношення Ni/Co і Cr/Zn в тонкозернистих терригових осадових породах різного віку. По горизонтальній осі — час формування породи в млрд років тому. На врізках — середні значення для різних епох. Червоні гуртки — сланці, помаранчеві — діаміктити (див.: Diamictite). Зображення з обговорюваної статті в Science

Це означає, що аж до середини мезоархейської ери (що тривала від 3,2 до 2,8 млрд років тому) верхня континентальна кора складалася в основному з мафічних порід — базальтів. Останні півмільярда років архейського еона (кінець мезоархея і неоархей, 3,0-2,5 млрд років тому) представляли собою перехідний період, протягом якого континенти розросталися за рахунок утворення фельзичних порід — гранітів.

Автори розрахували, скільки низькомагнезіальних порід повинно було утворитися протягом пізнього архея, щоб «розбавити» стародавні базальтові протоконтиненти до такого низького змісту магнію, яке характерне для континентальної кори з початку протерозою і понині. Вийшло, що для цього потрібен обсяг гранітів, як мінімум в чотири рази перевищує обсяг ранньоархейських протоконтинентів. Відповідно, континенти повинні були значно збільшитися і за площею, і в товщину. Їх висота повинна була додатково вирости за рахунок того, що граніти легше базальтів і тому вище плавають у в’язкій астеносфері.

Те, що континентальна кора протягом пізнього архею швидко наростала, а континенти піднімалися, було відомо і раніше. Зокрема, вважається, що це сприяло оксигенізації атмосфери в ранньому протерозої. Ланцюжок причинних зв’язків тут такий: підйом континентів призвів до переходу від переважно підводного до переважно наземного вулканізму; це сприяло зростанню надходження в атмосферу оксидів сірки, які потім розчинялися у воді і взаємодіяли з двовалентним залізом (Fe² +), що вело до осадження заліза у вигляді піритів; в результаті кисень, що виділяється ціанобактеріями, перестав витрачатися на окислення заліза і почав накопичуватися (див.:Нова модель зв’язала утворення земної кори, вулкани і кисень, «Елементи», 17.10.2011). Американські геохіміки отримали незалежне підтвердження зростання континентів у пізньому археї, а головне, вони показали, що аж до мезоархея континенти складалися не з низькомагнезіальних порід, як сьогодні, а з високомагнезіальних.

Як вже говорилося, для формування гранітів магма повинна містити багато води. Найочевидніший спосіб потрапляння води в мантію — це субдукція океанічної кори, а субдукція — невід’ємна частина тектоніки плит. Таким чином, отримані результати вказують на те, що тектоніка плит існувала не з самого початку історії планети, а стартувала приблизно в середині архейського еона — 3 млрд років тому або трохи раніше. Це призвело до прискореного утворення гранітів і розростання континентів.

Стаття американських геохіміків цікава ще й тим, що показує, як великі відкриття можуть народжуватися з вузькоспеціальних і, здавалося б, малоцікавих вишукувань. В даному випадку прийти до важливих висновків про історію планети вдалося виключно завдяки тому, що молодий геохімік, аспірант Мерілендського університету Мін Тан (Ming Tang), перший автор обговорюваної статті, виявив, що співвідношення Ni/Co і Cr/Zn в магматичних породах корелюють зі змістом магнію.

Джерело: Ming Tang, Kang Chen, Roberta L. Rudnick. Archean upper crust transition from mafic to felsic marks the onset of plate tectonics // Science. 2016. V. 351. P. 372–375.

Про глобальні перетворення в пізньому археї — ранньому протерозої див. також:

1) Нова модель пов’язала утворення земної кори, вулкани і кисень, «Елементи», 17.10.2011.

2) «Велика киснева подія» на рубежі архея і протерозою не було ні великою, ні подією, «Елементи», 02.03.2014.

Олександр Марков