В современных островных базальтах нашли следы первичного вещества, из которого образовалась Земля
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 (см. Возраст самых древних пород земной коры — 4,28 млрд лет, «Элементы», 30.09.2008), 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 аккрециипыли 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.
Рис. 2. Ранние этапы становления Земли и их отражение в изотопных отношениях Hf/W. Графическое отображение гипотезы, проверяемой авторами статьи в Science. Relative ratios — первичные соотношения изотопов; Crust/Mantle — изотопные отношения в коре и мантии; Reservoir — изотопные отношения в резервуарах первичных вещества; Core — изотопные отношения в ядре; Average Ratio — средние изотопные отношения в земной коре; Anomaly — аномальные изотопные отношения. Изображение с сайта Quantum Magazine
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 основном 184W) 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).
Рис. 3. Расчетная картина конвективного движения в мантии Земли и механизм образования мантийных плюмов. Z — глубина от поверхности Земли, X — примерное расстояние между плюмами. Изображение с сайта Wikimedia Commons
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.
Источники:
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
