Состав химических элементов континентальной коры помог датировать начало тектоники плит
Вопрос о времени и обстоятельствах старта плитной тектоники на Земле до сих пор является в значительной мере дискуссионным. В свежей статье геохимиков Ming Tang, Kang Chen, Roberta L. Rudnick из Мэрилендского университета (США) он остроумно связывается с изменением состава химических элементов верхних слоев континентальной коры.
Океаническая кора нашей планеты, как и поверхностный слой других планет земной группы, состоит в основном из богатых магнием (и железом) тяжелых пород, таких как базальты, тогда как в верхней части континентальной коре преобладают бедные магнием легкие породы, подобные гранитам. Всегда ли состав континентов был таким же, как сейчас, определить трудно, потому что древние магматические породы избирательно разрушены эрозией, а из осадочных пород магний вымывается. Американские геохимики преодолели эту трудность, показав, что об исходном содержании магния в породе можно судить по соотношению других, «невымываемых элементов»: никеля, кобальта, хрома и цинка. Оказалось, что вплоть до 3 млрд лет назад континенты были сложены высокомагнезиальными породами, а в течение позднего архея (3,0–2,5 млрд лет назад) континенты быстро разрастались за счет формирования гранитов. Это свидетельствует о старте глобальной тектоники плит около 3 млрд лет назад, потому что для образования гранитов в мантию должно поступать много воды, что происходит в процессе погружения океанической коры в мантию в зонах субдукции.
Несколько слов об оригинальной методике, которая позволила авторам рассматриваемой статьи прийти к столь серьезным выводам. Определить содержание магния в древней континентальной коре — технически сложная задача. К ее решению можно подходить двумя путями, но оба сопряжены с трудноразрешимыми проблемами.
Во-первых, можно просто постараться определить содержание магния в сохранившихся древних магматических породах. Однако то вещество, что сохранилось, не вполне отвечает тому, что было. Верхняя континентальная кора постоянно уничтожается эрозией, причем мафические породы могут разрушаться быстрее, чем фельзические.
Второй подход основан на анализе древних терригенных осадочных пород, которые формировались из крупинок разрушенных эрозией магматических пород. Но здесь есть другая проблема: при формировании терригенных осадочных пород большая часть магния из них просто-напросто вымывается.
Геохимики из Мэрилендского университета нашли красивое решение этой проблемы. Они обнаружили, что в магматических породах количество магния коррелирует с соотношениями четырех других, сравнительно редких элементов, которые не вымываются при формировании терригенных осадочных пород. Как выяснилось, чем больше в магматической породе магния, тем выше в ней соотношение никеля к кобальту
(Ni/Co) и хрома к цинку
(Cr/Zn). Эти соотношения определяются закономерностями фракционирования химических элементов при расслоении жидкой магмы. Данное правило работает как для самых древних (архейских), так и для более молодых постархейских магматических пород .
Обнаруженная закономерность позволяет судить об изначальном содержании магния в тех магматических породах, из частичек которых сформировались терригенные осадочные породы, несмотря на то, что из последних значительная часть магния была вымыта.
Авторы использовали найденную зависимость для выяснения вопроса о составе древнейших континентов. Для этого они измерили соотношения Ni/Co и Cr/Zn в сотнях образцов разновозрастных тонкозернистых терригенных осадочных пород со всех концов Земли. Оказалось, что в породах возрастом 3,5–3,0 млрд лет эти соотношения максимальны, в породах позднего архея (3,0–2,5 млрд лет назад) они снижаются, и уже в начале протерозоя (2,5–2,0 млрд лет назад) достигают современных низких значений.
Это значит, что вплоть до середины мезоархейской эры (длившейся примерно от 3,2 до 2,8 млрд лет назад) верхняя континентальная кора состояла в основном из мафических пород — базальтов. Последние полмиллиарда лет архейского эона (конец мезоархея и неоархей, 3,0–2,5 млрд лет назад) представляли собой переходный период, в течение которого континенты разрастались за счет образования фельзических пород (гранитов).
Авторы рассчитали, сколько же низкомагнезиальных пород должно было образоваться в течение позднего архея, чтобы «разбавить» древние базальтовые протоконтиненты до такого низкого содержания магния, которое характерно для континентальной коры с начала протерозоя и поныне. Получилось, что для этого требуется объем гранитов, как минимум в четыре раза превышающий объем раннеархейских протоконтинентов. Соответственно, континенты должны были значительно увеличиться и по площади, и в толщину. Их высота должна была дополнительно вырасти за счет того, что граниты легче базальтов и поэтому плавают над ними в вязкой астеносфере.
То, что континентальная кора в течение позднего архея быстро нарастала, а континенты поднимались, было известно и ранее. В частности, считается, что это способствовало оксигенизации атмосферы в раннем протерозое. Цепочка причинных связей здесь следующая: подъем континентов привел к переходу от преимущественно подводного к преимущественно наземному вулканизму; это способствовало росту поступления в атмосферу оксидов серы, которые затем растворялись в воде и взаимодействовали с двухвалентным железом (Fe2+), что вело к осаждению железа в виде пиритов; в результате кислород, выделяемый цианобактериями, перестал расходоваться на окисление железа и начал накапливаться. Американские геохимики получили независимое подтверждение роста континентов в позднем архее, а главное, они показали, что вплоть до мезоархея континенты состояли не из низкомагнезиальных пород, как сегодня, а из высокомагнезиальных.
Как уже говорилось, для формирования гранитов магма должна содержать много воды. Самый очевидный способ попадания воды в мантию — это субдукция океанической коры, а субдукция–неотъемлемая часть тектоники плит. Таким образом, полученные результаты указывают на то, что тектоника плит существовала не с самого начала истории планеты, а стартовала примерно в середине архейского эона — 3 млрд лет назад или немного раньше. Это привело к ускоренному образованию гранитов и разрастанию континентов.
Следует сказать, что статья американских геохимиков интересна еще и тем, что показывает, как крупные открытия могут рождаться из узкоспециальных и, казалось бы, малоинтересных исследований. В данном случае прийти к важным выводам об истории планеты удалось, исключительно благодаря тому, что молодой геохимик, аспирант Мэрилендского университета Мин Тан (Ming Tang), первый автор обсуждаемой статьи, обнаружил, что соотношения Ni/Co и Cr/Zn в магматических породах коррелируют с содержанием магния.
Оригинал сообщения - 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.
http://hge.spbu.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=5339:sostav-khimicheskikh-elementov-kontinentalnoj-kory-pomog-datirovat-nachalo-tektoniki-plit&catid=40&Itemid=88
