Российские ученые смоделировали мантию Земли докембрийского периода
Учёные геологического факультета МГУ в составе международной группы геологов и петрологов из России, Швейцарии и Австралии провели масштабный эксперимент, моделирующий процессы, происходившие в мантии в докембрийский период истории Земли и смогли найти объяснение происхождению этих древних структур.
15 октября в журнале Nature опубликована статья «Building cratonic keels in Precambrian plate tectonics». В работе показано как сформировались корни континентов и каким образом в них были созданы благоприятные условия для кристаллизации алмазов.
Корни континентов – это необычные образования в мантии Земли под древнейшими участками материков, иногда достигающие мощности 350 км. У этих участков необычные свойства – они холоднее и легче, чем окружающая мантия, имеют другой геохимический состав. Важно отметить, что корни континентов являются кладовой алмазов нашей планеты, они имеют возраст 1.5-3.5 млрд. лет и в современных условиях не образуются. Долгие годы перед учеными стоял неразрешимый вопрос - каким образом образовались эти древние фрагменты мантии и как они связаны с континентами.
«Для экспериментов мы использовали три суперкомпьютера: наш суперкомпьютер МГУ «Ломоносов» и два суперкомпьютера в Швейцарской высшей технической школе Цюриха. Мы создали компьютерную модель, воспроизводящую особенности древней (архейской) океанической коры и мантии. Оказалось, что процесс субдукции в тот период сильно отличался от современного. В древней субдукции участвовала верхняя мантия другого химического состава, лишенная, прежде всего, железистого компонента и потому очень легкая. Из-за этого она не уходила целиком на глубину, а затекала гигантскими «языками» под континент, где впоследствии застывала», – рассказывает руководитель научной группы, заведующий кафедрой петрологии и вулканологии геологического факультета МГУ, профессор Алексей Леонидович Перчук
В современных условиях в зонах субдукции тяжелая верхняя мантия погружается вместе с океанической земной корой под континент и уходит на огромную глубину в сотни и тысячи километров. Там она вовлекается в процесс конвекции - циркулирует с остальной мантией. В докембрии верхняя мантия под океанами была значительно легче, поэтому не уходила на глубину целиком, а частично затекала под континент. В результате под континентом образовывалась стабильная слоистая структура, не конвектирующая вместе с остальной мантией. Эта структура оставалась на месте в течение нескольких миллиардов лет, где она остывала и затвердевала.
«У нас нашлось геологическое подтверждение разработанной нами новой гипотезы происхождения корней континентов, – добавляет Алексей Леонидович, – Один из наших соавторов, профессор Грифин из университета Маккуори в Австралии, занимался изучением состава глубинной мантии по ксенолитам в кимберлитовых трубках. Еще в начале века он независимо провел химическую томографию континентальной мантии по составу минералов, которые выносятся на поверхность кимберлитовыми расплавами. Его исследования показали, что эта мантия очень неоднородна, в ней есть участки с аномальным химическим составом на глубине 150-200 км. Когда по нашим численным экспериментам мы составили профиль мантии, выяснилось, что мы в точности воспроизводим химические профили, которые регистрируются с помощью химической томографии в корнях континентов»
Ранее существовали две гипотезы происхождения корней континентов: согласно первой, из нижней мантии поднимался горячий восходящий поток (плюм), который приводил к частичному плавлению мантии под континентом, она обеднялась железом и формировала корни континентов. Вторая, диаметрально противоположная гипотеза, предполагала, что под континентальную кору поддвигались, одна за другой, океанические плиты, и именно эта пачка океанических плит и создала слоистые континентальные корни.
Открытие наших ученых показало, что мантийные корни формируются по неизвестному ранее механизму вязкого подтекания, а мантийное вещество, которое попадает под континент, с этим континентом никак не связано. Оно было рождено в зоне спрединга, в океанической обстановке, а потом подтекло под континент в ходе субдукции древних океанических плит.
Другая часть научной работы показывает, как возникли условия для кристаллизации алмазов в этих структурах. В то время, как легкая и горячая часть океанической мантии затекала под континент, ее оставшаяся более холодная часть, насыщенная водными минералами, погружалась (субдуцировала) вместе с океанической корой на большую глубину. Там из нее выделялись углерод-содержащие водные флюиды. Они поднимались наверх и, дойдя до корней континентов, изменяли эти участки химически и насыщали их углеродом, из которого позже образовывались алмазы.