Сегодняшняя Земля - это динамичная планета с внешним слоем, состоящим из гигантских плит, которые перетираются друг с другом, скользят мимо или погружаются друг под друга, вызывая землетрясения и извержения вулканов. Другие отделяются на подводных горных хребтах, где расплавленная порода выходит из центров крупных океанских бассейнов.
Но новое исследование показывает, что так было не всегда. Вместо этого вскоре после того, как Земля сформировалась и начала остывать, первый внешний слой планеты представлял собой единую твердую, но деформируемую оболочку. Позднее эта оболочка стала складываться и трескаться более широко, породив современную тектонику плит.
Исследование, описанное в статье, опубликованной 27 февраля 2017 года в журнале Nature, является последним залпом в давней дискуссии в геологическом исследовательском сообществе: сразу ли началась тектоника плит - теория, известная как униформизм - или Земля сначала прошла длительную фазу с твердой оболочкой, покрывающей всю планету? Новые результаты показывают, что модель твердой оболочки наиболее близка к тому, что произошло на самом деле.
«Модели того, как образовалась первая континентальная кора, обычно делятся на две группы: те, которые ссылаются на тектонику плит в современном стиле, и те, которые не делают этого», - сказал Майкл Браун, профессор геологии в Университете Мэриленда. соавтор исследования. «Наше исследование подтверждает последнее - «застойная крышка», формирующая внешнюю оболочку планеты в начале истории Земли».
Чтобы прийти к таким выводам, Браун и его коллеги из Кертинского университета и Геологической службы Западной Австралии изучили горные породы, собранные в Восточном террейне Пилбара, большой области древней гранитной коры, расположенной в штате Западная Австралия. Скалы здесь являются одними из самых старых известных, их возраст составляет от 3,5 до примерно 2,5 миллиардов лет. (Земле примерно 4,5 миллиарда лет.) Исследователи специально отобрали граниты с химическим составом, обычно связанным с вулканическими дугами, что является явным признаком тектонической активности плит.
Браун и его коллеги также изучали базальтовые породы связанной с ними формации Кукаль. Базальт - это горная порода, образующаяся при извержении вулканов, но она также образует дно океана, поскольку расплавленный базальт извергается на раскидистых хребтах в центре океанских бассейнов. В современной тектонике плит, когда базальт океанского дна достигает континентов, он погружается - или субдуцирует - под поверхность Земли, где он генерирует флюиды, которые позволяют вышележащей мантии плавиться и в конечном итоге создавать большие массы гранита под поверхностью.
Предыдущие исследования показали, что базальты Coucal могут быть исходными породами для гранитов в Террейне Пилбара из-за сходства их химического состава. Браун и его сотрудники намеревались проверить это, а также проверить другое давнее предположение: могли ли базальты Кукала расплавиться и образовать гранит каким-либо другим способом, кроме погружения базальта под поверхность Земли? Если это так, то, возможно, тектоника плит еще не происходила, когда формировались граниты Пилбара.
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи выполнили термодинамические расчеты, чтобы определить фазовые равновесия среднего базальта Coucal. Фазовые равновесия - это точное описание того, как вещество ведет себя при различных условиях температуры и давления, включая температуру начала плавления, количество образовавшегося расплава и его химический состав..
Например, одна из простейших диаграмм фазовых равновесий описывает поведение воды: при низких температурах и/или высоких давлениях вода образует твердый лед, а при высоких температурах и/или низких давлениях вода образует газообразный пар. Фазовые равновесия немного больше связаны с горными породами, которые имеют сложный химический состав, могут принимать очень разные комбинации минералов и физические характеристики в зависимости от температуры и давления.
«Если вы возьмете камень с полки и расплавите его, вы можете получить фазовую диаграмму. Но вы застряли с фиксированным химическим составом», - сказал Браун. «С помощью термодинамического моделирования вы можете независимо изменять состав, давление и температуру. Это намного более гибко и помогает нам ответить на некоторые вопросы, которые мы не можем решить с помощью экспериментов с горными породами».
Используя базальты Coucal и граниты Pilbara в качестве отправной точки, Браун и его коллеги провели серию экспериментов по моделированию, чтобы отразить то, что могло произойти на древней Земле без тектоники плит. Их результаты позволяют предположить, что граниты Пилбара действительно могли образоваться из базальтов Кукала.
Более того, эта трансформация могла произойти при сценарии давления и температуры, согласующемся с «застойной крышкой» или единственной оболочкой, покрывающей всю планету.
Тектоника плит существенно влияет на температуру и давление горных пород в недрах Земли. Когда плита горной породы погружается под поверхность Земли, она вначале относительно холодная, и ей требуется время, чтобы нагреться. К тому времени, когда она достигает более высокой температуры, порода также достигает значительной глубины, что соответствует высокому давлению - точно так же дайвер испытывает более высокое давление на большей глубине воды.
Напротив, режим «застойной крышки» будет очень горячим на относительно небольшой глубине и низком давлении. Геологи называют это «высоким тепловым градиентом».
«Наши результаты показывают, что граниты Pilbara были получены путем плавления базальтов Coucal или подобных материалов в среде с высоким температурным градиентом», - сказал Браун. «Кроме того, состав базальтов Кукала указывает на то, что они также произошли из материнских пород более раннего поколения. Мы пришли к выводу, что первые континенты Земли в сценарии «застойной крышки» образовались в результате многоэтапного процесса до начала тектоники плит».