Тайны Земли возрастом в миллиарды лет

03.11.2021



История формирования современного облика нашей планеты – нетривиальный вопрос, который волнует ученых на протяжении многих лет. О том, какие процессы происходили в древности в мантии Земли и как образовывались мантийные кили – основные места зарождения алмазов, – рассказал Алексей Перчук, заведующий кафедрой петрологии и вулканологии геологического факультета МГУ. Материал подготовлен в рамках специального проекта Российской академии наук и издания InScience.News.

— Алексей Леонидович, сначала я бы хотела задать вам несколько вопросов по основным понятиям, с которыми непосредственно связано ваше исследование. Первый будет посвящен мантии Земли. Она представляет собой широкую полосу, расположенную между земной корой и ядром, и занимает около 80% всего объема нашей планеты. Расскажите, пожалуйста, об особенностях, которые отличают ее от других слоев. Как она образовалась и какие основные процессы в ней постоянно происходят?

— Верно, мантия находится между земной корой и ядром. Давайте последовательно рассмотрим эти оболочки. Ядро в основном состоит из железа с примесями никеля, кремния, углерода и – в гораздо меньшем количестве – других элементов. Его внутренняя часть находится в твердом состоянии, а внешняя – в расплавленном. Именно внешнее ядро создает магнитное поле Земли.

Земная кора – продукт плавления мантии, она сложена относительно легкими силикатными минералами. Кора очень неоднородна по химическому составу: по сравнению с мантией, здесь содержится много оксидов щелочных элементов, алюминия, кальция, кремния. Современная кора представлена двумя разновидностями: океанической и континентальной. И одна из современных проблем геологии заключается в том, чтобы определить, когда образовалась континентальная кора, поскольку предполагается, что на ранних этапах развития Земли ее не было.

Мантия же (средняя оболочка) возникла на самых ранних стадиях развития планеты, отделившись от металлического ядра. Она отличается от вышележащей коры тем, что состоит из небольшого разнообразия элементов: наряду с кислородом (Земля – кислородная планета!), основные – это магний и кремний, в меньших количествах содержатся алюминий, кальций и железо. Мантия делится на верхнюю и нижнюю, между которыми расположена переходная зона.

— Расскажите поподробнее о различиях между верхней и нижней мантиями. Насколько я понимаю, они отличаются по химическому составу и физическим свойствам?

— Главное их отличие связано с температурой и давлением. Нижняя мантия гораздо более горячая и плотная, чем верхняя. Из-за этого даже при близком химическом составе породы состоят из разных минералов. Это подтверждается экспериментальными и геофизическими данными, которые показывают, что на глубине порядка 410 км начинаются преобразования одних минералов в другие. Например, наиболее известные и важные переходы наблюдаются в оливине – самом распространенном минерале верхней мантии, который составляет более 40% ее объема. На глубине около 410 км оливин превращается в вадслеит, а при еще более высоком давлении – в рингвудит с еще более плотной структурой. На глубине около 660 км начинается нижняя мантия, где доминируют крайне высокоплотные силикаты – магнезиальный и кальциевый перовскиты.

— Поясните, пожалуйста, еще термин «кратоны». Правильно ли я понимаю, что это древние платформы, которые составляют основу современных материков и лежат непосредственно над мантийным слоем?

— Фактически континентальная кора состоит из блоков разного возраста: какая-то часть коры формируется в настоящее время, какая-то образовалась раньше. Но есть и совершенно уникальные участки – «архивы» современной истории Земли, возраст которых превышает миллиард лет. Это и есть кратоны. Между ними находится кора, сложенная более молодыми породами. Важно отметить, что мантия, которая лежит под древними кратонами, отличается по возрасту и химическому составу от мантии, которая находится под участками более молодой коры. Сейчас существует множество геологических карт, на которых отмечено расположение всех обнаруженных на сегодняшний день кратонов. На территории России, например, наиболее известен Сибирский кратон, возраст которого достигает 2-2,5 миллиардов лет.

— Ваше исследование было посвящено формированию мантийных килей. Расскажите, пожалуйста, что собой представляют эти структуры, как их удается обнаружить и с помощью каких методов их исследуют?

— Под континентами и океанами – под океанической и континентальной корой – находятся области более жесткой мантии, которую называют литосферной. Она может «плыть» по поверхности менее жесткой мантии, как льдины по поверхности воды. Менее жесткую, пластичную мантию, которая в нашей аналогии играет роль воды, называется астеносферной. Она способна перемещаться с помощью конвекции. Границы двух типов мантии, литосферной и астеносферной, хорошо отслеживаются с помощью геофизики.

Под кратонами – теми самыми древними участками континентов – лежит очень толстый слой жесткой литосферной мантии. Так, если средняя толщина литосферной мантии составляет около 120 км, то в кратонных участках ее мощность будет до 250-300 км. Это как раз и будут участки мантийных килей. Они получили такое название из-за аналогии с килями судов. Мантийные кили, «плавающие» в астеносферной мантии, часто имеют форму, напоминающую вазу с широким горлом и узким дном. Интересно, что температура мантии в составе килей значительно ниже, чем температура окружающей ее пластичной мантии. Дело в том, что пластичная астеносферная мантия остается горячей за счет постоянного конвективного движения, а мантия в кратонах неподвижна, поэтому остывает. Еще одно отличие мантии в кратонах – это химический состав. Она содержит значительно меньше железа, а потому она значительно легче, чем окружающая конвектирующая мантия.

— За весь период исследования геологических процессов ученые предложили несколько моделей образования мантийных килей. Вы разработали собственную. В чем она заключается и чем отличается от предшествующих?

— Важно отметить, что кили – очень древние образования. Сейчас такие структуры не создаются, и поэтому в современной тектонике нет ясных механизмов, с помощью которых мы могли бы наблюдать, как процесс шел раньше. Но ученые предложили две модели, в той или иной степени опираясь на два современных процесса, протекающих в мантии. Первый из них – это подъем плюмов, то есть всплывание глубинных разогретых частей мантии на поверхность. Второй – субдукция или погружение расположенных на поверхности литосферных плит вглубь Земли.

Давайте обратимся к первой модели. Мантийные кили формировались миллиарды лет назад – в то время, когда мантия Земли была горячее, чем современная, примерно на 150-250ºС. В этом разогретом состоянии она активнее перемещалась, и в таких условиях легче поднималась на поверхность в виде плюмов. Интересен сам процесс образования плюмов: когда они только начинают подниматься, то находятся в пластичном твердом состоянии, а при приближении к поверхности Земли из-за снижения давления породы начинают плавиться небольшими порциями. Выплавленная из них магма, кристаллизуясь, создает породы, аналогичные тем, что слагают океаническую кору. Следует отметить, что вместе с магмой из пород мантии уходят легкоплавкие химические элементы – железо, алюминий и кремний. Поэтому в оставшейся горячей мантии породы оказываются обедненными этими элементами, вследствие чего и более легкими – что и свойственно мантийным килям. Эта модель всегда была наиболее популярна, поскольку ранняя Земля всегда ассоциировалась с описанной выше тектоникой. Но ее недостаток состоит в том, что она не объясняет стратификацию килей – химическую и минеральную разнородность на разных глубинах. В действительности изменение химического состава килей не такое закономерное, как предсказывает эта модель: в одних областях мантия обогащена определенными компонентами, в других – обеднена ими.

Вторая модель, диаметрально противоположная, основана на процессе субдукции, т.е. существовании в то время тектоники плит. Она предполагает, что литосферные плиты не могли погружаться на большие глубины, так как под ними лежала древняя – а значит более легкая и горячая – мантия. Поэтому они поддвигались под континент с разных сторон, накладывались слоями друг на друга. По мере наслаивания таких своеобразных пластин под континентальной корой и образовывались «холодные» кили.

— Получается, вторая модель тоже не объясняла стратификации мантии?

— Абсолютно не объясняла, поскольку в этом случае должен был формироваться очень однородный материал мантии с довольно большим количеством пород океанической коры.

— Расскажите теперь о модели, которую предложили Вы.

— При построении модели мы прежде всего обращали внимание на то, что мантия, которая заходит в зону субдукции в составе тектонической плиты, уже претерпела частичное плавление. Это происходило в срединно-океанических хребтах по тому же механизму, что и в плюмах. В этом процессе создавалась океаническая кора. Под этой корой остается обедненная и легкая мантия. Затем оба слоя – океаническая кора и легкая мантия – вместе движутся в направлении зоны субдукции. Достигнув ее, океаническая плита начинает погружаться под континентальную плиту, или кратон, и при этом в ней происходят процессы образования плотных, тяжелых пород, которые более активно будут тянуть плиту вниз.

Но в то же время под утяжеляющейся океанической корой находится легкая мантия, которая стремится всплыть вверх. Возникают две противодействующие силы, которые приводят к тому, что легкая мантия просто отделяется от погружающейся океанической коры и начинает подтекать в виде огромных пластин под континентальную кору, которая представляет собой древний кратон. То есть если раньше под континентальной корой были свои собственные мантийные породы, то теперь их место заняли совершенно другие породы, создающие мощный, но очень легкий мантийный киль. Благодаря этой модели нам удается объяснить происхождение легкой мантии, а также наблюдаемую стратификацию мантии в килях, что является большим преимуществом перед предыдущими моделями.

— Как Вам удалось разработать такую модель, учитывая, что процессы, которые она описывает, сегодня не происходят?

— Это стало возможным благодаря правильной постановке задачи, а также численному моделированию на трех суперкомпьютерах со сложным программным кодом, в который было заложено множество петрологических, физических и реологических процессов.

— Вы упомянули, что мантийные кили формировались только в определенную эпоху. Это был период архея-раннего протерозоя (1,6-3,5 миллиарда лет назад). Это обусловлено тем, что именно тогда была необходимая температура мантии?

— Да, совершенно верно. Именно высокая температура способствовала образованию килей, и первопричиной их образования было то, что мантия плавилась. И чем выше была температура, тем больше мантии плавилось, и тем больший объем легкой мантии формировался.

— И последний вопрос. Известно, что в мантийных килях образуются алмазы. Как происходит этот процесс и есть ли в килях еще какие-нибудь полезные ископаемые?

— Когда мантийные кили только начинали формироваться, в них не было подходящих условий для образования алмазов. И в принципе углерода там тогда не было – он появился значительно позже. Алмазы образовались только тогда, когда мантийные кили начали остывать. В целом, это единственные полезные ископаемые, которые есть в мантии этого типа, и именно их добыча представляет основной интерес для промышленности.

Подразделы

Объявления

©РАН 2021