Новые данные о возрасте и происхождении «подземного океана воды» в переходной зоне мантии Земли

18.07.2019



Международная научная группа под руководством геохимиков из Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского, Российской Академии Наук представила доказательства неожиданно раннего начала глобального рециклирования земной коры в глубинную мантию объясняющего происхождение высоких концентраций воды в переходной зоне мантии Земли на глубине 410-660 км.

Глобальный цикл погружения океанической коры с поверхности Земли в глубинную мантию с последующим подъемом материала обратно к поверхности является одним из важнейших механизмов тектоники плит– уникальной черты нашей планеты в пределах Солнечной системы. При этом длительное время широко обсуждаемым остается вопрос о том, в какой момент истории Земли, возраст которой более 4.5 миллиардов лет, началось функционирование этого механизма. В новой статье, опубликованной в журнале Nature (Sobolev et al., 2019), международная группа ученых из России (ГЕОХИ им. В.И. Вернадского РАН, Москва), Франции (UGA, ISTerre, Гренобль и CRPG, CNRS, Нанси), Германии (GEOMAR и CAU, Киль), Южной Африки (University of the Witwatersrand, Йоханнесбург) и США (Louisiana State University, Батон-Руж) представила геохимические данные, указывающие на то, что процесс глобального рециклирования был запущен гораздо раньше, чем предполагается большинством специалистов, и мог функционировать уже в течение первого миллиарда лет истории Земли. 

В начале 2000-х в работе Wilde et al., (2001) было показано, что морская вода присутствовала на поверхности Земли уже 4.4 миллиарда лет назад. Взаимодействие морской воды с породами земной коры приводит к образованию высоководных минералов, таких как серпентин, который также содержит хлор. При переносе этих минералов в глубинную мантию в процессе субдукции океанической коры растущие температуры и давления приводят к их дегидратации, т.е. преобразованию в другие менее водонасыщенные минералы, и потере большей части воды и хлора в виде флюида (Рис. 1). Тем не менее, концентрации H2O и Cl, остающихся в этих минералах после дегидратации все еще на порядок превышают их содержания в типичных мантийных минералах (оливин, пироксен, гранат). Дегидратация имеет еще один значительный геохимический эффект. Дейтерий (D) – тяжелый изотоп водорода – в большей степени поступает во флюидную фазу воды, в то время как легкий изотоп-протий (1Н) в большей степени сохраняется в структуре минералов. Такое поведение изотопов водорода приводит к существенному уменьшению отношения D/1H в дегидратированных породах по сравнению с исходным материалом. Таким образом механизм переноса пород земной коры в глубинную мантию должен приводить к появлению уникальной геохимической метки мантийных пород: повышенным содержаниям воды и хлора и обедненному дейтерием изотопному составу водорода. 

Основным источником информации о составе земной мантии являются вулканические породы, кристаллизовавшиеся из мантийных магм, наиболее распространенными представителями которых сегодня являются базальты. Однако в архейский период на поверхность кроме базальтовых магм извергались значительно более горячие – коматиитовые магмы (Рис. 2), возникшие в результате более значительного плавления мантийного субстрата, и поэтому более полно отражающие его состав (Arndt et al., 2008). Все известные образцы коматиитов претерпели постмагматические изменения и не сохранили информацию о составе летучих компонентов, таких как H2O и Cl. Но в этих породах сохранились реликты магматического минерала – оливина (силиката магния и железа), который, в свою очередь, содержит включения расплава, захваченного в процессе его кристаллизации. Подобные включения, размеры которых составляют всего лишь десятки микрометров, хранят в себе подробную информацию о составе коматиитовых расплавов, включая данные о содержаниях H2O, Cl и изотопном составе водорода. Для того, чтобы извлечь эту информацию, необходимо провести гомогенизацию включений с помощью нагрева до температуры коматиитовой магмы (более 1500 оС) с последующей моментальной закалкой и получением чистого закалочного стекла (Рис. 3), которое в дальнейшем используется для химических и изотопных анализов с применением высокоточных инструментов локального микроанализа, таких как электронный микрозонд, масс-спектрометрия с лазерной абляцией и ионный зонд. 

В 2016 году международная группа во главе с учеными из ГЕОХИ РАН изучила расплавные включения в оливине из коматиитов зеленокаменного пояса Абитиби, Канада возрастом 2.7 млрд. лет (Sobolev et al., Nature 2016). Ими были получены первые данные о содержаниях воды и подвижных компонентов (Rb, Ba, Cl, Pb, Sr) в коматиитовых расплавах, что послужило доказательством наличия избытка воды и хлора в глубинной мантии в неоархейской эры. В этом исследовании было получено доказательство присутствие глубинного мантийного резервуара, содержащего несколько тысяч частей на миллион воды в составе высокобарических модификаций оливина – вадслеита и рингвудита, встречающихся на глубинах переходной зоны мантии (410-660 км). Таким образом был обнаружен древний подземный резервуар воды сравнимый по массе с современным земным океаном. Накопление такого количества воды могло произойти во время первичной аккреции Земли, либо в процессе ранней субдукции преобразованной морской водой коры, которая оказалась захвачена переходной зоной мантии. Работа получила широкий отклик в Российской и международной прессе (см. ссылки в конце статьи). 

В новой статье в Nature (Sobolev et al., 2019) та же научная группа опубликовала данные изучения расплавных включений в оливине из коматиитов зеленокаменного пояса Барбертон, ЮАР возрастом 3.3 млрд. лет. Новое исследование показывает, что глубинный водосодержащий резервуар находился в мантии Земли уже в палеоархее, на 600 миллионов лет раньше, чем установлено в предыдущем исследовании. Также ученым удалось прояснить вопрос происхождения резервуара, используя первые данные по изотопии водорода в архейских расплавах. Крайне низкие отношения D/1H во включениях из оливинов Барбертон являются признаком дегидратированной океанической коры (Рис. 1). Вместе с повышенными содержаниями воды и хлора эти данные свидетельствуют о том, что механизм рециклирования измененной морской водой коры в мантию функционировал более 3.3 миллиарда лет назад. Это означает, что уже в первый миллиард лет существования Земли включился глобальный оборот вещества, составляющий основу современной тектоники плит, а источником высокой воды в переходной зоне мантии являлся океан на поверхности планеты.

Список литературы:

Sobolev, A. V., Asafov, E. V., Gurenko, A. A., Arndt, N. T., Batanova, V. G., Portnyagin, M. V., Garbe-Schonberg, D., Wilson, A. & Byerly, G. R. Deep hydrous mantle reservoir provides evidence for crustal recycling before 3.3 billion years ago. Nature 571, published on-line doi: 10.1038/s41586-019-1399-5 (July 15, 2019). https://www.nature.com/articles/s41586-019-1399-5

Wilde, S. A., Valley, J. W., Peck, W. H. & Graham, C. M. Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. Nature 409, 175-178, doi:10.1038/35051550 (2001).

Arndt, N. T., Lesher, C. M. & Barnes, S. J. Komatiite. (Cambridge University Press, 2008).

Sobolev, A. V., Asafov, E. V., Gurenko, A. A., Arndt, N. T., Batanova, V. G., Portnyagin, M. V., Garbe-Schonberg, D. & Krasheninnikov, S. P. Komatiites reveal a hydrous Archaean deep-mantle reservoir. Nature 531, 628-632, doi:10.1038/nature17152 (2016).

Viljoen, M.J. and Viljoen R.P. Evidence for the existence of a mobile extrusive peridotitic magme from the Komati Formation of the Onverwacht Group. Special Publication Geological Society of S. Africa, v2, p 87-112 (1969).

 

Список характерных ссылок в прессе на статью Sobolev et al, 2016. 

 

 

Контактное лицо по научным вопросам

Александр Соболев |

sobolev@geokhi.ru

alexander.sobolev@univ-grenoble-alpes.fr

Евгений Асафов | +7 903 004 75 64

evasafov@gmail.com


 


  (jpg, 262 Kб)

Рисунок 1. Схема переноса H2O и Cl измененной архейской океанической литосферой в переходную зону мантии и последующего захвата этого материала архейской мантийной струёй (плюмом). Взаимодействие коры океанической литосферы (черный цвет) с морской водой, приводит к обогащению коры хлором и H2O с повышенными отношениями дейтерия (D) к водороду (1H), которые выражаются как dD (отклонение в отношении D/1H в частях на тысячу, ‰, относительно стандартного отношения в современной морской воде). В процессе субдукции происходит дегидратация коры и потеря большей части Cl и H2O c высокими отношениями D/1H. Оставшиеся в дегидратированном материале Cl и H2O попадают в переходную зону мантии (фиолетовый цвет) и концентрируются в высокобарических модификациях оливина- рингвудите и вадслеите. Таким образом возникает мантийный источник с повышенными содержаниями H2O и Cl и низким значением dD. Мантий плюм (желтый) перемещается через переходную зону в частично расплавленном состоянии (красные капли символизируют степень плавление), что приводит к захвату водосодержащего материала переходной зоны (фиолетовые точки). При подъеме захваченный материал выделяет воду и хлор в свободный флюид, что приводит к более экстенсивному плавлению материала плюма, в связи с известным положительным эффектом H2O на плавление в силикатных системах. Последующий подъем плюма приводит к еще более обширному плавлению вследствие декомпрессии и отделению расплава, который изливается в виде коматиитовых лав на поверхности. Рисунок Асафова Е.В.


(jpg, 695 Kб)

Рисунок 2. Вид на реку Комати в горной стране Барбертон (Южная Африка) – места первого обнаружения (Viljoen and Viljoen, 1969) высокотемпературных архейских магм – коматиитов, получивших название в честь реки. Фото Соболева А.В.

 

(jpg, 463 Kб)

Рисунок 3. Высокотемпературная экспериментальная установка (до 1700оС) с контролем летучести кислорода установленная в ГЕОХИ РАН на средства Российского Научного Фонда (проект 14-17-00491, руководитель Соболев А.В. 2015-2018гг.). Фото Соболева А.В.

©РАН 2019