Новые исследования указывают на то, что тектоника плит началась раньше, чем 4 миллиарда лет назад — вскоре после образования Земли. Новые исследования показывают, что тектоника плит, вызывающая землетрясения, образование гор и разделение континентов, могла начаться, когда Земля только зарождалась, — значительно раньше, чем считали многие ученые.
Новое исследование предполагает, что тектоника плит началась более 4 миллиардов лет назад — вскоре после того, как планета образовалась 4,5 миллиарда лет назад. В эту эпоху, известную как гадейская, Земля была свежей и обжигающе горячей, с атмосферой из аммиака и метана, насыщенной достаточным количеством воды, чтобы в конечном итоге сконденсироваться в океан планетарного масштаба. В этот период Земля достаточно остыла, чтобы иметь твердую внешнюю кору.
Сегодня эта кора сформирована шлифующими движениями тектонических плит, которые движутся по более теплой и подвижной мантии ниже. Но никто не знает наверняка, когда впервые началось это расположение тектоники плит. Ранее исследователи предполагали, что это началось в Гадее, почти сразу после того, как остыла кора. Другие считают, что тектоника плит началась около 3,2 миллиарда лет назад , когда геохимия выявила некоторые ключевые изменения в составе коры. Другие утверждают, что это явление еще более недавнее , эволюционировавшее до своей современной формы за последние пару миллиардов лет.
Ученые изо всех сил пытались определить, когда именно началась тектоника плит, поскольку не сохранилось пород, которым более 4 миллиардов лет, поэтому единственное прямое окно в Гадейский период — это крошечные, прочные кристаллы, известные как цирконы, самые старые из которых датируются 4,4 миллиарда лет. Подгруппа таких кристаллов, известная как цирконы S-типа, может выявить наличие тектоники плит. Эти особые цирконы представляют собой кристаллы, которые образуются в осадочных породах на суше, затем выталкиваются в мантию тектоникой и снова появляются в метаморфических гранитах.
Иллюстрация, показывающая слои Земли и ее ядро
Проблема в том, что цирконы S-типа невозможно легко идентифицировать по одному-единственному признаку, вместо этого можно использовать целый набор микроэлементов.
В новом исследовании, опубликованном 8 июля в журнале PNAS, исследователи использовали модель машинного обучения, чтобы упростить эту задачу. Сначала ученые ввели в модель данные из 300 цирконов известного происхождения, а затем проверили способность модели определять, относятся ли еще 74 циркона к S-типу или нет. Обучив модель различать типы цирконов, команда затем применила ее к 971 новому циркону из Джек-Хиллз в Австралии, где обнаружено большинство древнейших цирконов на Земле.
Результаты показали, что 35% цирконов Джек-Хиллз были S-типа. Некоторые из них датируются 4,2 миллиарда лет назад, что говорит о том, что тектоника плит перемещала породы из коры в мантию и обратно в течение хадея.
Исследование не первое, намекающее на очень древнее тектоническое движение. Эксперимент 2023 года, в ходе которого породы плавились при высоких температурах, показал, что самая старая континентальная кора образовалась в результате субдукции — процесса погружения одной тектонической плиты под другую. Некоторые исследования даже предполагают, что во время хадея могли существовать ранние континенты .
Но новое исследование, вероятно, не разрешит все противоречия. Крис Хоксворт, геохимик из Университета Бристоля, который не принимал участия в новом исследовании, рассказал журналу Science Magazine, что другие силы, помимо тектоники плит, такие как удары гигантских метеоритов, также могли перемещать породы между корой и мантией в ранние дни существования Земли.
В Китае найдены доказательства «современной» тектоники плит, датируемые 2,5 миллиардами лет назад. Редкие минералы свидетельствуют о существовании древней зоны субдукции.
Новое исследование показало, что уникальная скальная формация в Китае содержит подсказки о том, что тектонические плиты пододвигались или уходили под другие плиты в архейскую эпоху (от 4 до 2,5 миллиардов лет назад), так же, как это происходит и в наши дни, сообщил журнал Proceedings of the National Academy of Sciences.
Эта порода возрастом 2,5 миллиарда лет, известная как эклогит, встречается редко, образуясь, когда океаническая кора глубоко вдавливается в мантию (слой между корой и ядром) при относительно низких температурах. Этот тип породы с высоким давлением и низкой температурой «в основном ограничен зонами субдукции на современной Земле.
Иллюстрация ранней Земли с тектоникой плит. Zoonar GmbH / Alamy
Исследование выявило самые древние известные эклогиты из древнего горного пояса, обнаруженного в океанической коре Земли, говорят исследователи. Следующие по возрасту породы такого рода — породы возрастом 2,1 миллиарда лет в Демократической Республике Конго — примерно на 400 миллионов лет моложе, говорят исследователи.
Хотя это не самое древнее свидетельство тектоники плит из известных (например, исследование 2021 года датировало тектонику плит примерно 3,6 миллиарда лет назад ), новое открытие представляет собой ценный источник данных, показывающий, что тектонические плиты погружались друг под друга в «ранние» дни существования Земли, по крайней мере с геологической точки зрения.
Тектонические плиты — движущиеся плиты, из которых состоит внешняя кора Земли — отвечают за круговорот материалов и элементов из глубин Земли в ее океаны, поверхности и атмосферу. На протяжении десятилетий исследовательская группа работала над пониманием ранней истории и эволюции Земли, со времени, когда она сформировалась и остыла из расплавленного шара магмы в космосе, до того, как она затвердела, образовав жесткую внешнюю кору, которая эволюционировала в плито-тектоническую систему, которую мы имеем сегодня.
Плита архейского эклогита с красным гранатом и зеленым пироксеном из Шанъина, Китай. Лу Ван
Тектонические плиты имеют решающее значение для нагрева планеты. Из-за движущихся тектонических плит тепло теряется изнутри, подобно тому, как хлеб плавает и движется в горшке с кипящим рагу внизу. Произошёл ли переход к плитно-тектонической Земле рано или планета развивалась через разные стадии, в которых доминировали разные механизмы потери тепла, является одним из самых нерешённых и обсуждаемых вопросов в науках о Земле сегодня.
Вот почему за последние 20 лет исследовательская группа составила карту пород архейского эона, охватывающую около 990 миль (1600 километров) на севере Китая — древний горный пояс, называемый орогеном, отмечающий место, где около 2,5 миллиардов лет назад столкнулись две тектонические плиты.
Многие особенности этих пород указывают на то, что этот древний горный пояс образовался в результате взаимодействия тектонических плит. Например, фрагменты океанической коры, называемые офиолитами, застряли в древней зоне столкновения, как и сильно деформированные смеси пород, называемые меланжами (по-французски «смеси»), которые отмечают места столкновения плит. Команда также обнаружила крупные складчатые структуры, называемые покровами, которые тектоника плит вытолкнула на сотни и тысячи миль.
Скальная формация, содержащая эклогит (темный слой с красным гранатом и зеленым пироксеном) архейского эона, перемежающийся с гранатсодержащим метагаббро из Шанъина, Китай. Лу Ван
Обнаружение эклогитов в меланже показывает, что тектоническая плита океанической коры погрузилась под другую плиту, претерпев метаморфизм — то есть изменив свой состав, текстуру или внутреннюю структуру под воздействием тепла и давления — по мере погружения в глубь мантии.
Редко можно найти эклогиты из архейского эона, что привело к утверждению, что современная тектоника плит не действовала в архее. Таким образом, обнаружение эклогита, ключевого индикатора глубокой и холодной субдукции, очень важно.
Лабораторный анализ эклогитов с этого места показал, что они образовались на расширяющемся океаническом хребте около 2,5 миллиардов лет назад, были перенесены через океаническое дно, а затем были вытеснены в мантию посредством субдукции. Микроструктуры в минералах гранате и клинопироксене указывают на то, что они достигли температур от 1458 до 1634 градусов по Фаренгейту (от 792 до 890 градусов по Цельсию) и высоких давлений от 287 000 до 355 000 фунтов на квадратный дюйм (от 19,8 до 24,5 килобар).
Лу Ван обнаруживает густые заросли на месте архейского эклогита в Шанъине, Китай. Тимоти Каски
Эти цифры предполагают, что эклогиты субдуцировались на глубину не менее 40 миль (65 км). Другими словами, эти результаты аналогичны данным по минералам, обнаруженным в современных зонах субдукции, заявили Куски и Ван. В конце концов, давление двух столкнувшихся тектонических плит выдавило плотные породы обратно на поверхность.
Тем не менее, результаты не слишком удивительны или даже не так уж новы, сказала Роберта Рудник, профессор наук о Земле в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, которая не принимала участия в исследовании. «Это не особенно ново, по моему мнению», как уже сообщали другие исследователи, так же как древние эклогиты и минералы эклогита, запертые внутри алмазов, которые вышли через вулканические трубки, которые «очень хорошо изучались на протяжении десятилетий».