http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=4adff9a4-d8df-43c7-8da4-0292481410b0&print=1
© 2024 Российская академия наук
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
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.
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.
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.