3 миллиарда лет назад переработка земной коры ускорилась, а ее рост замедлился

Исследователи из Великобритании использовали новый подход к изучению возраста и изотопного состава цирконов — самых стойких земных минералов. Этот подход позволил скорректировать оценки темпов накопления земной коры и скоростей ее переработки. Согласно новым оценкам, 65% современной коры было уже сформировано 3 миллиарда лет назад. Ее быстрое накопление связано не с высокой скоростью образования, а с низкой скоростью последующей переработки. 3 млрд. лет назад активизировалась переработка корового материала, и скорость накопления земной коры снизилась. Предполагается, что эти изменения вызваны сменой характера движения континентальных плит и началом субдукции (поддвига континентальных плит).

Когда появилась и какой была новорожденная Земля? Пока на этот вопрос отвечают только самые смелые ученые, прибавляя, естественно, к своим рассуждениям слова «вероятно» и «по-видимому». Все их рассуждения строятся на косвенных расчетных показателях, так как пока не известно никаких материальных свидетельств детства нашей планеты, геологические тела столь раннего возраста неизвестны.

Но скудость данных не означает отсутствие научного поиска. Напротив, сейчас ученые соревнуются, кто найдет более старую породу или минерал. Цирконы из Канадских гнейсов Акасты датируются 4 млрд лет, зеленокаменный пояс в Канаде — 4,28 млрд лет (об этом см.: Возраст самых древних пород земной коры — 4,28 млрд лет, «Элементы», 30.09.2008), а Джек-Хиллз в Австралии дали самый древний возраст — 4,4 млрд лет. Две последние оценки вызывают критику у специалистов. В первом случае критикуются методы расчетов, во втором обсуждается возможность внеземного происхождения цирконов. Поэтому осторожные оценки всё же останавливаются на уровне 4 млрд. лет. Тем более открытым остается вопрос: что же происходило с земной поверхностью в первые 500 млн. лет? При оскорбительной скудости фактических данных каждый шаг в этом направлении актуален.

Исследователи из Университета святого Андрея, Университетов Бристоля и Портсмута решили использовать знакомые и хорошо зарекомендовавшие себя цирконы не просто для расчета возраста, но для воссоздания древнейших геологических процессов. Их предпосылки были следующими. Цирконы, сформировавшиеся из мантийного материала, примем за начальную точку времени. Для этого момента характерно четкое соотношение изотопов гафния (он всегда присутствует в качестве примеси в цирконах), урана и свинца — по ним обычно рассчитывают возраст. Кроме того, в состав цирконов входит и кислород. Соотношение изотопов кислорода в мантии и, соответственно, в новорожденных цирконах составляет определенную величину (около 5,3) с небольшим разбросом значений. Зато после того, как кристалл циркона начал свою биографию и стал участвовать в различных геологических процессах, соотношение изотопов кислорода сильно меняется. Поэтому ученые анализировали не только возраст цирконов, но и разброс данных по изотопии кислорода. Они использовали для своего исследования довольно внушительную базу данных (1376 цирконов разных возрастов и из разных частей света), для которых имелись измерения всех необходимых изотопов.

Оказалось, что цирконы, сформировавшиеся в интервале 3–1 млрд. лет назад (ранний и средний протерозой), демонстрируют широкий разброс значений изотопного соотношения кислорода. Британские изотописты объясняют эту картину неравномерными скоростями и образования коры, и ее последующей переработки: в начале и середине протерозоя скорость переработки новообразованной коры возрастала. Также важную информацию о процессе можно извлечь из отношения числа кристаллов с начальной и измененной изотопией кислорода. Выяснилось, что в первые 1–1,2 млрд. лет это соотношение оставалось более или менее постоянным, и в последующих геологических процессах перерабатывалось примерно 27% новообразованной коры. Это следует из численного преимущества точек с изначальным мантийным сигналом кислородной изотопии. Зато потом, в раннем протерозое (3,2–1,8 млрд. лет назад), скорость переработки коры быстро увеличилась, и процесс ее переплавки и опускания обратно в мантию стал доминировать. Об этом судят по резкому преобладанию точек с измененным изотопным сигналом. В среднем протерозое скорости переработки коры снова снизились, и этот процесс продолжается и в нашу эпоху. Число точек с мантийным сигналом стало вновь увеличиваться.

Имея полученные зависимости, ученые использовали всю мировую базу данных по цирконам для расчетов скорости переработки коры (то есть пригодились и те данные, для которых отсутствуют измерения кислородной изотопии). Это около 6,5 тысяч дополнительных точек по цирконам. Эти данные, скорректированные с учетом неравномерной скорости переработки коры, естественно, показали и неравномерное накопление ее объема. Около 65% современной коры образовалось в период до 3 млрд. лет назад. До 3–2,8 млрд. лет назад объем коры быстро нарастал за счет низкой скорости переработки корового материала, затем нарастание его замедлилось, так как резко возросла скорость переработки уже образовавшейся коры.

Ученые связывают эти глобальные изменения с началом субдукции континентальных плит, подразумевающей поддвиг одной плиты под другую. До 3 млрд лет назад движение континентальных плит определялось их расширением по краям, мантийным апвеллингом (подъемом к поверхности) и расслоением, а после — мощной субдукцией. Таким образом, цирконы содержат не только геологические часы, но при внимательном рассмотрении еще и свидетельства древнейших континентальных процессов.

Источник: Bruno Dhuime, Chris J. Hawkesworth, Peter A. Cawood, Craig D. Storey. A Change in the Geodynamics of Continental Growth 3 Billion Years Ago // Science. 16 March, 2012. V. 335. P. 1334–1336.

Елена Наймарк 

Подробнее