Древняя горная порода показала, что температура при погружении в недра Земли меняется не так, как ожидалось
Международная группа геологов обнаружила в Папуа — Новой Гвинее горную породу, которая около 4,4 миллиона лет назад погрузилась на глубину более 90 километров, а затем вернулась на поверхность. Анализ минералов показал необычную историю её нагревания: уже на глубине 45 километров температура достигала примерно 700 °C, а при дальнейшем погружении ещё как минимум на 45 километров увеличилась всего на 100 °C. Такой характер изменения температуры оказался неожиданным для существующих моделей движения тектонических плит.
Исследование провели специалисты Гёттингенского университета в Германии совместно с учёными из Австралии, США и других стран. Они изучили образец эклогита, найденный на острове Гуденаф у восточного побережья Папуа — Новой Гвинеи. Эта горная порода образуется при высоком давлении и может сохранять следы физических условий, существовавших глубоко в недрах Земли.
Около 4–5 миллионов лет назад исследованный участок земной коры оказался вовлечён в процесс субдукции — погружения одной тектонической плиты под другую. По мере увеличения глубины порода испытывала всё более высокое давление и нагревалась, что приводило к изменению её минерального состава. Позднее тектонические процессы подняли её обратно к поверхности.
Чтобы восстановить историю этого перемещения, исследователи изучили кристаллы граната, содержащие микроскопические включения других минералов. Особое значение имели частицы коэсита — редкой разновидности диоксида кремния, устойчивой при чрезвычайно высоком давлении. Их присутствие позволило установить, что эклогит находился на глубине более 90 километров.
Возраст отдельных этапов преобразования породы определили по кристаллам циркона с помощью уран-свинцового датирования. Дополнительный анализ химического состава минералов и термодинамические расчёты позволили оценить температуру и давление на разных стадиях погружения.
Выяснилось, что на глубине около 45 километров порода находилась при температуре приблизительно 700 °C и давлении 1,5 гигапаскаля. При дальнейшем погружении до глубины более 90 километров давление превысило 2,9 гигапаскаля, однако температура поднялась лишь до 800 °C. Таким образом, давление увеличилось почти вдвое, тогда как температура изменилась сравнительно незначительно.
Именно это соотношение оказалось неожиданным. Согласно распространённым представлениям, породы в зонах субдукции сохраняют относительно низкую температуру при погружении на большую глубину, поскольку опускающаяся плита изначально холоднее окружающих недр. Новый образец показывает, что на ранних этапах погружения порода может испытывать значительно более сильный нагрев, чем предполагают существующие модели.
Исследователи рассматривают два возможных объяснения. Первое связано с выделением дополнительного тепла при трении и деформации пород на границе тектонических плит. Второе предполагает, что погружение происходило в относительно молодой зоне субдукции, где температурные условия ещё не достигли устойчивого состояния. Не исключено, что оба механизма действовали одновременно.
Полученные результаты не означают, что температура в земных недрах уменьшается с глубиной. В исследованном случае она продолжала расти, но значительно медленнее, чем увеличивалось давление. Поэтому переход от «горячей» к «холодной» субдукции описывает изменение соотношения температуры и давления, а не фактическое охлаждение породы.
Авторы считают, что подобные температурные изменения могут встречаться и в других зонах субдукции. Более точное понимание этих процессов позволит усовершенствовать модели движения тектонических плит, возникновения землетрясений и вулканической активности, а также переноса углерода между поверхностью и глубокими слоями Земли.
Исследование в журнале Nature Geoscience.