30.06.2017

В современных островных базальтах нашли следы первичного вещества, из которого образовалась Земля

Известно, что Земля слоистая: она состоит из ядра и окружающих его оболочек: нижней мантии, верхней мантии, земной коры. Но всегда ли она была такой? Когда, на каком этапе земной истории произошло это расслоение, и полностью ли оно завершилось к настоящему времени? Мантия Земли сложена твердыми породами, находящимися тем не менее в достаточно пластичном состоянии, чтобы под действием тепловых потоков циркулировать, перемешиваясь как в миксере, на протяжении миллиардов лет. Традиционно считается, что вещество, слагающее недра Земли, настолько перемешалось в процессе мантийной тепловой конвекции, а еще раньше — в результате глубинного переплавления и дифференциации, что уже невозможно обнаружить следы первичного (протопланетного) вещества, из которого формировалась наша планета. Однако при исследовании островных базальтов Тихого океана ученые обнаружили необычные геохимические аномалии — свидетельства того, что в недрах Земли до сих пор сохраняются резервуары первичного вещества.

Исследователи, изучающие Землю, стремятся заглянуть как можно дальше в глубь ее истории, понять, что и как происходило на самых ранних этапах жизни нашей планеты. Самый очевидный способ познания геологического прошлого — исследование «каменной летописи» древнейших горных пород. Возраст самых древних из известных на сегодня пород земной коры, сланцев из зеленокаменного пояса (см. Greenstone belt) Нуввуагиттук в Канаде, составляет 4,28 млрд лет, что почти на 300 млн лет меньше возраста Земли. И относительно того, что происходило в недрах в эти 300 млн лет «темного периода» ранней молодости планеты, есть только догадки и предположения.

Наша планета образовалась примерно 4,54 млрд лет назад в процессе аккреции пыли и спекания крохотных вязких капель вещества (хондр) протопланетного диска, из того же протопланетного вещества, что и прочие планеты земной группы Солнечной системы. Первоначально она имела небольшие размеры, и ее структура была более или менее однородной. Но почти сразу же внутри прото-Земли начался процесс дифференциации (см. Гравитационная дифференциация) — расслоения вещества планеты с образованием ядра и окружающих его оболочек. Первым этапом дифференциации было разделение первичного вещества на металлическую и силикатную фазы, что привело к образованию металлического ядра и примитивной мантии уже в первые 10 млн лет жизни планеты. При этом более плотные сидерофильные (связанные с железом) элементы погружались в центр Земли, образуя ядро, а более легкие литофильные (главным образом в виде силикатов) собирались во внешних оболочках (мантии и коре).

Считается, что процесс разделения земного вещества на ядро и мантию завершился примерно через 50–60 млн лет после зарождения Земли. Однако недавно появились свидетельства, что глубоко в мантии, на границе с ядром, до сих пор сохраняются фрагменты (резервуары) первичного (протопланетного) вещества, которое не гомогенизировалось в процессе плавления мантии и ее последующего многократного перемешивания (рис. 2). Об этом говорят результаты геохимических исследований изотопов вольфрама и гелия из океанических базальтов некоторых современных островных вулканов, опубликованные в журнале Science.

Группа американских и французских ученых под руководством Андреа Мюндл (Andrea Mundl) из Университета штата Мэриленд изучила образцы молодых (до 20 млн лет) базальтов, отобранные на Гавайях, островах Самоа и в Исландии. Выяснилось, что значения изотопных отношений вольфрама ¹⁸²W/¹⁸⁴W и гелия ³He/⁴He в них характерны для самых ранних стадий формирования Земли — первых 50 миллионов лет ее жизни. В этих образцах необычно мало ¹⁸²W и необычно много ³He, что характерно не для современных земных пород, а именно для первичного вещества, из которого формировалась планета.

Тяжелый изотоп вольфрама ¹⁸⁴W стабилен и существует на планете с самого начала, а легкий ¹⁸²W возникает лишь при распаде крайне нестабильного изотопа гафния ¹⁸²Hf, также находившегося в первичном (протопланетном) веществе. Короткоживущая изотопная система ¹⁸²Hf/¹⁸²W (¹⁸²Hf>¹⁸²W+2β–) весьма удобна для изучения процессов планетарной дифференциации. Во время дифференциации два элемента вели себя совершенно по-разному: сидерофильный вольфрам стремился связаться с металлами, концентрируясь в основном в ядре, а литофильный гафний, связанный с силикатными минералами, остался во внешних оболочках.

Период полураспада ¹⁸²Hf составляет 8,9 млн лет. Таким образом, весь ¹⁸²Hf должен был исчезнуть из пород Земли через 50 млн лет после ее образования, перейдя в легкий изотоп вольфрама ¹⁸²W. К этому моменту сформировались устойчивые значения изотопных отношений ¹⁸²W/¹⁸⁴W — очень низкие для ядра и относительно высокие для остальной силикатной части Земли.

1) Первичная аккреция. 4,57 млрд лет назад появилось Солнце и зерна пыли в протопланетном диске собрались в ком, образуя сплавленный «эмбрион» Земли — планетезималь, в состав которого входили в том числе такие элементы, как гафний (включая его короткоживущий изотоп ¹⁸²Hf) и вольфрам (в основном ¹⁸⁴W).

2) Эпоха гигантских столкновений и дифференциации земного вещества. В течение последующих десятков миллионов лет масса Земли увеличивалась за счет многочисленных столкновений с более мелкими космическими телами. За счет этого Земля разогревалась, происходило разделение ее оболочек. Вольфрам вместе с другими тяжелыми металлами, из которых формировалось металлическое ядро, погружался к центру, тогда как гафний поднимался наверх, поскольку участвовал в образовании силикатной мантии. Самые легкие элементы начали обособляться в самой внешней оболочке — земной коре. При этом фрагменты (резервуары) первичного недифференцированного вещества продолжали существовать в мантии.

3) Период «остановки радиоактивных часов». Через 50 млн лет после начала земной истории весь ¹⁸²Hf превратился в ¹⁸²W. Формирование в этот период древнейших пород, обогащенных изотопом ¹⁸⁴W, объясняется еще продолжающимися в недрах Земли процессами дифференциации или наличием в мантии отдельных резервуаров первичного вещества.

4) Поздняя бомбардировка. Считается, что в течение последующих нескольких сотен миллионов лет в результате поздней бомбардировки еще не защищенной атмосферой поверхности Земли мелкими космическими объектами масса планеты выросла примерно на 0,5%. В это время в верхнюю мантию попали металлы, которые должны были в результате дифференциации оказаться в ядре — золото, платина, вольфрам (в основном¹⁸⁴W) и другие. В земной коре и мантии сформировалось устойчивое (стандартное) изотопное отношение ¹⁸²W/¹⁸⁴W.

5) Становление земной коры. Возможно, первоначальная земная кора сформировалась еще в доархейское время. В какой-то момент она раскололась на плиты, которые начали двигаться. Возникшие в мантии конвекционные процессы стали причиной «всплытия» к поверхности мантийных плюмов, вместе с которыми в движение пришел материал остававшихся погребенными глубоко в мантии резервуаров первичного вещества.

Легкий изотоп вольфрама вполне может служить индикатором возраста пород — древнейшие породы, не подвергавшиеся поздней переплавке, содержат повышенные количества ¹⁸²W, а для всех более молодых, переживших полную переплавку, характерны стабильно одинаковые (стандартные) значения изотопного отношения ¹⁸²W/¹⁸⁴W. Аномально же высокие уровни ¹⁸⁴W говорят о том, что источником базальтов были глубинные зоны, где сохранилось первичное планетное вещество. Именно такие аномалии были обнаружены в изученных образцах островных базальтов Гавайских островов, Самоа и Исландии.

Все три изученные вулканические островные системы объединены одной особенностью: они приурочены к так называемым горячим точкам, расположенным над зонами аномально низких скоростей прохождения сейсмических волн на границе ядра и мантии (ULVZ — Ultra-Low Velocity Zones). В случае, когда горячая точка располагается под движущейся литосферной плитой, на поверхности от прохождения над ней остается «след» в виде цепочки вулканических островов (таких как Гавайи и острова Самоа). Данный факт в свое время привел к возникновению гипотезы мантийных плюмов — всплывающих гигантских «капель» разогретого менее вязкого вещества, поднимающихся к поверхности от пограничного слоя ядро-мантия и являющихся элементом системы мантийной конвекции (рис. 3).

В связи с тем, что изотопные аномалии вольфрама характерны только для островных вулканов, расположенных в горячих точках, связанных с ULVZ, логично предположить, что мантийные плюмы несут вещество первичных резервуаров, а также что конвекция является важнейшим механизмом перемешивания (гомогенизации) вещества в мантии.

Для подтверждения своей гипотезы о том, что источником островных базальтов горячих точек являются глубинные резервуары первичного планетного вещества, сформировавшиеся в первые 50 млн лет существования Земли, ученые определили еще и изотопные отношения гелия в тех же самых образцах островных базальтов. Изотоп ³He крайне редко встречается на поверхности Земли и связан с древнейшими породами, практически не подвергавшимся переплавлению. В отличие от него, ⁴He мог образовываться в процессе радиоактивного распада урана и тория. Высокие значения изотопного отношения ³He/⁴He указывают на наличие в составе пород первичного вещества, практически не изменявшегося с момента образования нашей планеты. В результате исследований обнаружилась отрицательная корреляция между тяжелым вольфрамом и отношением изотопов гелия. Это указывает на то, что гелий, присутствующий в этих образцах, — первичный, существовавший в протопланетном диске еще до формирования Земли.

Авторы подчеркивают, что описанные геохимические аномалии характерны не для всех горячих точек, а только для расположенных над зонами сверхнизких скоростей (ULVZ) на границе ядра и мантии. Для базальтов прочих горячих точек и лав вулканических островных дуг, находящихся вдоль границ литосферных плит, характерны нормальные значения ¹⁸²W и гомогенно-низкие значения ³He/⁴He.

Ранее канадско-американская группа ученых под руководством Ханики Ризо (Hanika Rizo) из Университета Квебека в Монреале уже докладывала об обнаружении первой положительной вольфрамовой аномалии, выявленной в породах возрастом 62 млн лет в море Баффина (Гренландия; см. Hanika Rizo, Richard J. Walker, Richard W. Carlson, Mary F. Horan, Sujoy Mukhopadhyay, Vicky Manthos, Don Francis, Matthew G. Jackson, 2016. Preservation of Earth-forming events in the tungsten isotopic composition of modern flood basalts). Уже тогда Ризо выдвинула гипотезу, что эти породы появились в результате всплытия мантийного плюма, обогащенного ¹⁸²W в силу присутствия в глубинном резервуаре, от которого оторвался плюм первичного вещества, относящегося к периоду «младенчества» планеты. Исследователь предполагает, что это фрагменты планетезималей, каким-то образом уцелевшие в процессе формирования Земли.

Похоже, что мантия Земли не такая уж гомогенная, как многим казалось, и в ней вполне могут сохраняться фрагменты первичного протопланетного вещества, из которого в свое время образовались все планеты земной группы.

Подготовлено по материалам:

1) Andrea Mundl, Mathieu Touboul, Matthew G. Jackson, James M. D. Day, Mark D. Kurz, Vedran Lekic, Rosalind T. Helz, Richard J. Walker. Tungsten-182 heterogeneity in modern ocean island basalts // Science. 2017. V. 356. P. 66–69. DOI: 10.1126/science.aal4179.

2) Hanika Rizo, Richard J. Walker, Richard W. Carlson, Mary F. Horan, Sujoy Mukhopadhyay, Vicky Manthos, Don Francis, Matthew G. Jackson. Preservation of Earth-forming events in the tungsten isotopic composition of modern flood basalts // Science. 2016. V. 352. P. 809–812. DOI: 10.1126/science.aad8563.

Владислав Стрекопытов

Источники:

1. elementy.ru