На ранней Земле поверхность и глубинные слои обычно рассматриваются как почти изолированные системы. Долгое время считалось, что субдукция — процесс погружения океанической коры в мантию — сформировалась относительно поздно в истории планеты.
Однако древние вулканические породы указывают на более сложную картину. Самые старые из них демонстрируют признаки того, что материал с поверхности попадал в глубинные слои значительно раньше, чем предполагают учебные модели. Речь идет о коматиитах — чрезвычайно горячих лавовых породах, которые сегодня практически не образуются. Их температура извержения превышала 1600 °C, что значительно выше параметров современных вулканов. Большинство коматиитов относится к архейскому эону, охватывающему период от 4 до 2,5 млрд лет назад, когда внутреннее тепло Земли было существенно выше. Эти породы формировались под корой и сохранили химические следы процессов в глубинных зонах планеты.
Исследовательская группа под руководством Чжэн-Ю Луна из Парижского института физики Земли (IPGP) проанализировала 50 образцов коматиитов из десяти регионов мира. Работа опубликована в журнале Nature Communications. Возраст изученных извержений варьируется от 3,6 млрд лет в Южной Африке до 89 млн лет в более молодых геологических структурах. Ключ к разгадке скрывался в изотопах калия. Этот элемент существует в нескольких формах с разной массой, и их соотношение меняется в зависимости от геологических процессов, особенно при взаимодействии с водой.
Анализ показал, что три региона выделяются резко отличающимися значениями. В их породах зафиксировано значительно больше тяжелого калия по сравнению с типичными мантийными породами, причем даже больше, чем в морской воде. Такое распределение оказалось нетипичным. Ожидается, что мантийные источники должны иметь промежуточные значения, а не крайние показатели содержания изотопов. Это противоречие потребовало объяснения.
Сначала рассматривались стандартные механизмы. Выветривание и химическое изменение пород обычно уменьшают долю тяжелого калия, а не увеличивают ее. Загрязнение материалом континентальной коры также снижает эти показатели.
Даже крупное событие ранней истории Земли — столкновение, приведшее к формированию Луны — не объяснило наблюдаемые концентрации изотопов калия. Одна из гипотез предполагала, что тяжелый калий может быть остатком первичной мантии, сохранившимся без перемешивания. Однако такие породы обычно содержат и другие древние химические маркеры, включая вольфрам и неодим, чего в данном случае не обнаружено. Это сместило внимание исследователей к более поздним процессам. Наиболее согласованное объяснение связано с субдукцией — погружением океанической коры в мантию и переносом поверхностного материала в глубину.
При нагревании погружающейся плиты выделяются флюиды, которые способны уносить легкие компоненты и изменять изотопный баланс калия. В результате глубинные породы могут обогащаться тяжелыми изотопами. Именно такая модель лучше всего объясняет состав коматиитов из трех наиболее выраженных регионов. Эти районы включают древние лавовые поля в Южной Африке и Канаде, ранее уже связывавшиеся с повышенной влажностью и присутствием воды в кристаллической структуре пород.
Ранее отдельные исследования предполагали, что часть этих лав могла формироваться из океанической коры, насыщенной морской водой и погруженной в мантию. Новые данные по калию усиливают эту интерпретацию.
Перенос поверхностного материала в глубинные зоны требует значительного времени. Вероятно, такие породы опускались в мантию и оставались там на протяжении сотен миллионов лет, прежде чем снова поднимались на поверхность в составе горячих магматических потоков. Моделирование показывает, что плавление в наиболее «влажных» областях могло происходить на глубинах сотен километров, в переходной зоне мантии на отметках примерно 400–660 км.
Остается неясным, сохранялся ли калий на таких глубинах или изменялся уже при подъеме магмы. При этом аналогичные геохимические сигналы ранее обнаруживались и в более молодых породах, связанных с возможным присутствием скрытых водных резервуаров под современной Азией.
Совокупность данных указывает на то, что уже не менее 3,6 млрд лет назад поверхностная вода и связанный с ней материал начали проникать в глубинные слои Земли. Это не подтверждает существование современной тектоники плит в привычном виде, однако демонстрирует раннюю активность механизмов переноса вещества между поверхностью и мантией. Подобные выводы согласуются с другими оценками, согласно которым движение континентов могло достигать современных скоростей уже около 3,2 млрд лет назад.
Круговорот воды и газов между поверхностью и глубинными слоями считается ключевым фактором поддержания обитаемости планеты. Раннее включение этого механизма меняет представления о темпах эволюции Земли.
Полученные данные также дают новый инструмент для геологических исследований: изотопный состав тяжелого калия в древних лавовых породах позволяет отслеживать моменты, когда поверхностный материал впервые достиг глубин Земли.
