Возраст 4 млрд. лет — самые древние породы Земли дают представление о ранней тектонике

В настоящее время Земля является единственной обнаруженной планетой, на которой поддерживается жизнь, во многом благодаря динамике тектоники плит. Этот процесс играет ключевую роль в рециркуляции жизненно важных биогеохимических элементов и обеспечении температурного режима планеты. Субдукция — разрушительная сила тектоники плит, проталкивающая одну плиту под другую, — является наиболее ярким признаком того, что тектоника плит выполняет огромную программу по переработке отходов.

Однако как глубоко в прошлое Земли можно заглянуть, чтобы найти следы тектоники плит? Всегда ли тектонические плиты действовали так, как сегодня, с такими процессами, как субдукция и рециклинг поверхностного материала?

Предыдущие исследования с использованием численного геодинамического моделирования утверждают, что субдукция и рециклинг происходили уже в период ~4,3 млн лет назад (GA означает «гигагод» — единица измерения времени, равная одному миллиарду лет). Поскольку возраст Земли составляет всего 4,5 млн. лет, такое утверждение свидетельствует в пользу тектоники плит практически с первого дня ее существования.

Однако новые геохимические данные, полученные из древнейших известных пород Земли, найденных в отдаленных озерных районах северной Канады, рисуют совершенно иную картину древнейшей истории Земли.

Исследование, в котором представлены эти доказательства и которое было опубликовано 30 июня в журнале Science Adv a nces, было проведено учеными под руководством профессора Ли Сяньхуа из Института геологии и геофизики Китайской академии наук (IGGCAS) в сотрудничестве с коллегами из Австралии и Канады, а также Китая.

«Наши самые древние образцы не показывают никаких признаков рециркуляции поверхностного материала на уровне 4,0 млн. лет назад», — сказал профессор Ли, соавтор исследования. «А самые ранние свидетельства переработки поверхностного материала в магмы мы находим только в 3,8 млн. лет назад».

На сайте ~ 4,0-2,5 млрд. лет назад морская вода была насыщена Si, а силикатизированное морское дно было богато тяжелым Si. Исследование выявило изменение между 4,0 — до включения тяжелого Si в гранитную магму и 3,8 млн лет назад — когда он был включен в нее впервые. Credit: Группа профессора Ли Сяньхуа

Изотопы кремния (Si) и кислорода (O) в гранитных породах являются индикаторами рециркуляции поверхностного материала в магме. На древней Земле морская вода была насыщена Si и богата тяжелым Si из-за отсутствия живых организмов, которые могли бы его потреблять. Таким образом, если бы тяжелый Si с морского дна возвращался в магматические камеры в результате субдукции, то в образцах гранитных пород были бы обнаружены тяжелые изотопы Si.

«Одна из трудностей, возникающих при применении этой методики к древним породам, заключается в определении первичного изотопного состава Si. Это связано с тем, что на протяжении длительной истории Земли эти породы неоднократно подвергались переделке под воздействием тепла и давления», — говорит ведущий автор исследования Чжан Цин (ZHANG Qing) из IGGCAS.

Циркон, наиболее распространенный датируемый минерал в гранитных породах, также очень устойчив к выветриванию и последующему изменению. Применение сверхточных аналитических методов к циркону позволяет наиболее надежно определить, является ли обнаруженный изотопный состав Si первичной сигнатурой.

«В работе исследователей предложены систематические критерии отбора для оценки данных. Я должен похвалить их за тщательную оценку данных по изотопам Si и O в цирконе, — сказал анонимный рецензент статьи.

Отсутствие тяжелой подписи Si в породах возрастом 4,0 млн. лет означает, что древнейшие образцы не нуждались в субдукции.

«Тем не менее, учитывая, что древнейшие породы происходят из одного места, отсутствие необходимости в субдукции для одной небольшой области не означает отсутствия субдукции плит на планете в 4,0 млн. лет назад», — сказал соавтор Аллен Натман из австралийского Университета Вуллонгонга.

Однако после тщательной фильтрации данных был обнаружен отчетливый сдвиг на 3,8 млн. лет как в изотопах Si, так и O. Поэтому, основываясь на современных данных, авторы исследования делают вывод о том, что возможное изменение геодинамики Земли, например начало субдукции плит, произошло на уровне 3,8 млн. лет назад.

«Уже то, что эти древнейшие породы сохранились, было удивительно, — сказал соавтор работы Росс Митчелл из IGGCAS, — а теперь мы узнаем, что они еще и рассказывают историю тектонического становления».

Ссылка: «Отсутствие доказательств супракорового рециклинга в изотопах Si-O древнейших пород Земли 4 млн лет назад» Цин Чжан, Лэй Чжао, Доун Чжоу, Аллен П. Натман, Росс Н. Митчелл, Ю Лю, Цю-Ли Ли, Хуэй-Мин Ю, Билли Фан, Кристофер Дж. Спенсер и Сянь-Хуа Ли, 30 июня 2023 г., Science Advances . DOI: 10.1126/sciadv.adf0693