Крошечные кристаллы циркона свидетельствуют о том, что на заре существования Земли тектоническая активность была на удивление сложной.

Сегодня Земля устроена так, что все процессы в ней основаны на повторном использовании. Старая кора погружается в мантию, плавится и возвращается в виде новых горных пород. Новое исследование циркона позволяет предположить, что в некоторых местах этот процесс начался поразительно рано, когда планете было всего полмиллиарда лет.

Ученые из Университета Висконсин-Мэдисон обнаружили в цирконах, древнейших минералах Земли, характерные химические соединения, которые соответствуют тому, что геологи ожидают от субдукции и большого количества континентальной коры в гадейский эон, более 4 миллиардов лет назад.

Если эта гипотеза верна, то ранняя Земля не была просто покрыта жесткой, неподвижной внешней оболочкой, как предполагает классическая теория «неподвижной крышки», согласно которой континентальная кора практически отсутствовала. По крайней мере, некоторые регионы могли быть достаточно динамичными, чтобы изменять форму поверхности, а это важно, поскольку переработка коры и формирование континентов влияют на формирование стабильных, потенциально пригодных для жизни сред.

Статья была опубликована в журнале Nature и посвящена древним цирконам из Джек-Хиллс в Западной Австралии. Эти зерна, часто встречающиеся в виде крошечных кристаллов, образовавшихся в результате выветривания более древних пород и сохранившихся в более молодых отложениях, ценятся за то, что являются единственным прямым свидетельством событий первых 500 миллионов лет существования Земли. Это делает их редкими артефактами, позволяющими понять, как взаимодействовали поверхность и недра планеты в период формирования первых континентов.

Высокоточная химическая дактилоскопия

Исследовательская группа пришла к своим выводам, измерив содержание микроэлементов в отдельных зернах циркона с помощью WiscSIMS — высокочувствительного прибора, расположенного в Висконсинском университете в Мадисоне. Эта технология позволяет ученым анализировать объекты размером примерно в одну десятую толщины человеческого волоса. Кроме того, команда разработала новые аналитические методы, которые позволили измерять содержание элементов, которые раньше было невозможно достоверно определить.

Микроэлементы служат химическими маркерами, позволяющими определить условия формирования каждого циркона. Изучая эти маркеры, исследователи могут определить, кристаллизовался ли циркон из магмы, поднявшейся непосредственно из мантии под земной корой, или из магмы, образовавшейся в результате субдукции и формирования континентальной коры. Цирконы сохраняют свой первоначальный химический состав с момента образования и чрезвычайно устойчивы к последующим изменениям, что делает их одними из самых надежных свидетелей процессов, происходивших на ранней Земле, даже спустя миллиарды лет.

«Это крошечные капсулы времени, в которых хранится огромное количество информации», — говорит Джон Вэлли, почетный профессор геологии в Висконсинском университете в Мадисоне, возглавлявший исследование.

Доказательства существования древней континентальной коры

По словам Вэлли, химический состав цирконов из Джек-Хиллс указывает на то, что они образовались из материала, сильно отличающегося от других гадейских цирконов, обнаруженных в Южной Африке. Южноафриканские образцы имеют химический состав, характерный для более простых пород, образовавшихся глубоко в мантии Земли.

«В Джек-Хиллс мы обнаружили, что большинство наших цирконов не имеют мантийного происхождения, — говорит Вэлли. — Они похожи на континентальную кору. Похоже, что они образовались над зоной субдукции».

По словам Вэлли, наличие двух популяций цирконов позволяет предположить, что ранняя геология Земли была более разнообразной, чем считалось ранее, и что одновременно действовали различные тектонические процессы, а не единая однородная система.

«Я думаю, что данные из Южной Африки верны, как и наши данные, — говорит Вэлли. — Это значит, что гадейская Земля не была покрыта однородной неподвижной мантией».

Важно отметить, что тип субдукции, в результате которого могли образоваться цирконы Джек-Хиллс, не обязательно совпадает с современным типом тектоники плит. Вэлли описал процесс, при котором мантийные плюмы из сверхгорячих пород поднимались, частично расплавлялись и скапливались у основания земной коры, создавая циркуляцию, которая могла приводить к опусканию поверхностных материалов.

«Это субдукция, — говорит он. — Это не тектоника плит, но при субдукции поверхностные породы погружаются в мантию».

Это важно, потому что при субдукции богатые водой поверхностные породы опускаются на более горячие глубины, где они могут расплавиться и образовать магму, из которой формируются гранитные породы.

«Если на поверхности есть материал, значит, в Хадеане на поверхности была жидкая вода, — говорит Вэлли. — Когда этот материал опускается вниз, он становится влажным и обезвоживается. Вода вызывает плавление, в результате чего образуются граниты».

Формирование первых континентов

Граниты и родственные им породы являются фундаментальными строительными блоками континентов. Они менее плотные, чем другие распространенные породы, залегающие под океанами Земли. Благодаря этому континенты всплывают и поднимаются над океаническими впадинами, создавая стабильную среду на поверхности Земли.

«Это свидетельствует о существовании первых континентов и горных хребтов», — говорит Вэлли.

Полученные результаты позволяют предположить, что ранняя Земля была геологически разнообразной и в разных регионах одновременно действовали различные тектонические процессы.

«У нас может быть одновременно и среда, напоминающая застойную крышку, и среда, напоминающая зону субдукции, только в разных местах», — говорит Вэлли.

Эта сложность может изменить представления ученых о первом миллиарде лет существования планеты, и последствия этого не ограничатся тектоникой. Субдукция и формирование континентов влияют на то, когда впервые появилась суша и как развивалась окружающая среда.

«На самом деле все хотят знать, когда зародилась жизнь? — говорит Вэлли. — Это не ответ на вопрос, но это говорит о том, что на заре существования жизни у нас уже была пригодная для жизни среда — суша».

Возраст самых древних из известных микроокаменелостей составляет около 3,5 миллиарда лет, но цирконы из Джек-Хиллс свидетельствуют о том, что потенциально пригодные для жизни условия на поверхности существовали гораздо раньше.

«Мы предполагаем, что около 800 миллионов лет назад поверхность Земли была пригодна для жизни, но у нас нет ископаемых свидетельств, и мы не знаем, когда на Земле впервые появилась жизнь», — говорит Вэлли.

Углубляясь в докембрий

По словам Вэлли, ученые продолжают искать свидетельства того, какой была Земля на заре своего существования. По его словам, последние результаты — пример того, насколько важно совершенствовать лабораторные методы.

«Благодаря нашим новым аналитическим возможностям мы получили доступ к этим удивительным образцам, — говорит он. — Гадейские цирконы настолько малы, что их невозможно разглядеть без лупы, но при этом они рассказывают нам о ранее неизвестной истории древнейшей Земли».