Формирование континентов началось в первые 500 миллионов лет существования Земли

Комплексное исследование древнейших минералов планеты, микроскопических зерен циркона, устойчивее алмаза, предоставило на сегодня самые убедительные химические доказательства того, что процессы формирования континентов и рециклинга земной коры уже действовали в течение первого эона Земли — гадейского. Результаты, опубликованные в журнале Nature, напрямую бросают вызов доминирующим геодинамическим моделям, которые на протяжении десятилетий изображали гадейский период (от формирования планеты 4,57 миллиарда лет назад до 4,0 миллиарда лет назад) как эру тектонического затишья, планету, покрытую жесткой и неизменной оболочкой и полностью лишенную значительных континентальных масс.

Исследование, проведенное геологами из Университета Висконсин-Мэдисон, сосредоточено на горстке цирконов, найденных в районе Джек-Хиллс в удаленной Западной Австралии. Эти кристаллы, размером с песчинку и возрастом более 4 миллиардов лет, представляют собой единственную прямую минералогическую летопись, сохранившуюся от первого, самого жаркого периода планеты. Они являются невероятно прочными капсулами времени, которые заключают в своей атомной структуре и химическом составе преобладающие условия в момент их кристаллизации из давно исчезнувших магм.

Ключом к открытию стало применение новейших аналитических методик, разработанных специально для этого исследования. Команда использовала вторичный ионный масс-спектрометр WiscSIMS, инструмент с нанометровой точностью, установленный в кампусе в Мэдисоне, способный измерять содержание микроэлементов в микроскопических объектах диаметром в одну десятую человеческого волоса. С помощью новых процедур исследователям удалось количественно определить концентрации таких элементов, как гафний, кислород и изотопы лития, в отдельных зернах циркона — геохимических маркеров, которые служат как однозначными отпечатками магматической среды, в которой сформировался каждый кристалл.

Как объясняет Джон Вэлли, почетный профессор геонаук UW–Madison и ведущий автор исследования, химический состав большинства изученных цирконов из Джек-Хиллс несовместим с прямым происхождением из примитивной мантии ранней Земли. Вместо этого их химия характерна для эволюционировавшей континентальной коры. Похоже, они сформировались в геодинамическом контексте, связанном с зоной субдукции. Субдукция, процесс, при котором одна плита земной коры погружается под другую, является основным двигателем рециклинга коры и генерации гранитных магм на современной Земле.

Радикальная новизна исследования проявляется при сравнении этих данных с ранее полученными данными по гадейским цирконам из другого ключевого местонахождения — кратона Каапваал в Южной Африке. Эти африканские цирконы действительно демонстрируют примитивный геохимический след, ожидаемый в среде, где магматизм происходил бы в основном от мантийных плюмов без значительного взаимодействия с переработанной корой. Вэлли подчеркивает достоверность обоих наборов данных. Это означает, что гадейская Земля не была покрыта однородной оболочкой. В разных регионах планеты одновременно действовало разнообразие тектонических режимов.

Этот сценарий ранней сложности заставляет пересмотреть существующие модели. Субдукция, которая могла породить цирконы Джек-Хиллс, не была бы идентичной современной тектонике плит с ее обширными границами между жесткими плитами. Вэлли предлагает более локализованный механизм, возможно, движимый мантийными плюмами, которые, поднимаясь и частично плавясь, создавали протоконтиненты и генерировали конвекционные циркуляции у основания зарождающейся коры, достаточно мощные, чтобы увлекать поверхностный материал вниз. Это субдукция, утверждает Вэлли. Это не тектоника плит в современном смысле, но это предполагает погружение поверхностных пород в мантию. Это рециклинг коры.

Последствия этого процесса глубоки. Для существования субдукции должен быть поверхностный материал для погружения. Химия цирконов указывает, что этим материалом была влажная континентальная кора. Вода является ключевым компонентом; когда она затягивается на большие глубины в процессе субдукции, это вызывает дегидратацию пород, что, в свою очередь, снижает температуру плавления окружающих мантийных пород и генерирует магмы гранитного состава. Если на поверхности был материал, значит, на поверхности в гадее была жидкая вода, рассуждает Вэлли. При погружении этого влажного материала на глубину происходит его обезвоживание. Вода вызывает плавление, и это формирует граниты.

Граниты и связанные с ними породы являются фундаментальными составляющими современных континентов. Их более низкая плотность по сравнению с базальтовыми породами океанического дна придает им плавучесть, позволяя подниматься в качестве стабильных участков суши над уровнем моря. Это свидетельство первых континентов и первых горных хребтов, заключает Вэлли. Появление твердой, сухой и стабильной суши является важнейшей планетарной вехой, последствия которой выходят за рамки чистой геологии и простираются в сферу обитаемости и происхождения жизни.

Исследование не определяет, когда возникла жизнь, но радикально переопределяет экологические рамки, в которых это могло произойти. Самые древние принятые микроскопические окаменелости имеют возраст примерно 3,5 миллиарда лет. Цирконы из Джек-Хиллс, возрастом 4 миллиарда лет и более, указывают, что необходимые для жизни поверхностные условия — стабильная континентальная среда, наличие жидкой воды и сложные взаимодействия между корой и мантией — присутствовали за сотни миллионов лет до того, как указывает летопись окаменелостей. Мы предполагаем, что в истории Земли было около 800 миллионов лет, в течение которых поверхность была пригодна для обитания, но у нас нет ископаемых доказательств, и мы не знаем, когда жизнь впервые появилась на Земле, признает Вэлли.