Событие миллиарда лет
Привычная еще со школы карта мира не так статична, как кажется. На самом деле поверхность нашей планеты постоянно меняется: плиты Земной коры движутся, отдаляются или сталкиваются, погружаются друг под друга — в результате растут или разрушаются горы, появляются новые океаны и континенты. Только «прочитав» историю древних пород, можно досконально выяснить, что же все-таки происходило с Землей в прошлом и попытаться представить ее будущее.
В этом году подведены итоги пятилетнего крупномасштабного проекта «Образование континентальной коры Центральной Азии» Международной геологической программы ЮНЕСКО и Международного союза наук о Земле, в котором приняли участие более 600 ученых из 60 стран мира. Результаты исследований опубликованы в специальном выпуске журнала Gondwana Research. Одним из руководителей проекта является заведующая лабораторией эволюции палеоокеанов и мантийного магматизма геолого-геофизического факультета Новосибирского государственного университета, старший научный сотрудник лаборатории магматизма и рудообразования Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН кандидат геолого-минералогических наук Инна Юрьевна Сафонова.
«Центрально-Азиатский складчатый пояс (ЦАСП) протянулся от Казахстана практически до Дальнего Востока. Он образовался в результате почти миллиарда лет эволюции древних океанов и континентов и окончательно сформировался 300—250 миллионов лет назад. Образование ЦАСП стало важнейшим событием в истории Евразии. Международный союз по наукам о Земле (International Union of Geological Sciences, IUGS) выделил Центрально-Азиатский складчатый пояс как один из самых приоритетных объектов геологических исследований последних лет в мире, — рассказывает Инна Юрьевна. — Многие исследователи считают, что процессы, происходившие при образовании ЦАСП, были очень похожи на те, которые идут сейчас в западной части Тихого океана (Пацифике) — от Камчатки до восточного побережья Австралии. Главными задачами проекта было установить достоверность этих корреляций и выяснить роль островных дуг и континентальных блоков в истории формирования коры ЦАСП».
Прежде всего, необходимо было оценить пропорции так называемой «новой» (ювенильной) и «старой» (рециклированной) коры. Последняя — это та, которая существовала еще задолго до формирования складчатого пояса. Где-то она сохранилась в неизменном виде и позже была рециклирована — переработана, расплавлена и/или смешана с другими породами. Ювенильная кора образуется непосредственно из мантии, то есть на больших глубинах в недрах Земли. Она может прирастать за счет вулканизма, происходящего на поверхности, либо магма застывает на глубине, но также входит в состав земной коры.
Рециклированная кора бывает достаточно молодой. Например, сейчас в Японии находят породы с возрастом всего три миллиона лет, но имеющие рециклированные изотопные характеристики. То есть они образованы не только за счет плавления мантийного глубинного материала, но включают в себя также и плавление более древнего корового.
«90 % новой коры образуется там, где океаническая плита погружается в зону субдукции (как сейчас происходит в Циркумпацифике), — говорит исследовательница. — Казалось бы, если наш Центрально-Азиатский складчатый пояс развивался по похожему сценарию, то в нем должно быть очень много этой новой коры, но в реальности это не так. По разным оценкам количество рециклированной коры в ЦАСП — от 20 % до 40 %, а то и больше. Это противоречие, которое сейчас активно обсуждается»
Зона субдукции — линейно протяженная зона, вдоль которой происходит погружение одних блоков земной коры под другие. Чаще всего в них океаническая кора пододвигается под островную дугу или активную континентальную окраину и погружается в мантию.
Один из вариантов объяснения: большое количество новой коры было уничтожено, то есть разрушено и погружено обратно в мантию. То же самое сейчас происходит во всем окружении Тихого океана. Только 25 % его обрамления (так называемой Циркумпацифики) — это те места, где идет прирост коры. На более чем 70 % участках она уничтожается буквально на наших глазах. Так, было подсчитано, что за последние 50 миллионов лет на севере Японии, где идут самые молодые вулканические процессы, континентальная кора должна была нарастить мощность до 100 км, а ее фактическая мощность по данным глубинного бурения и геофизики всего 25—30 км.
На границе взаимодействующих плит, чаще океанической и континентальной, континентальная кора уничтожается в основном в результате тектонических процессов: океаническая плита погружается под другую океаническую (как в Западной Пацифике) или под континентальную (как в Андах), они взаимодействуют друг с другом. Например, верхняя плита может «царапать» нижнюю, давить на нее, они сталкиваются. При этом материал обеих плит (как сверху, так и изнутри) подвергается разрушению, эрозии, обычно он сносится в глубоководный желоб водными потоками и в результате безвозвратно погружается обратно глубоко в мантию.
«Таким образом, есть геологические данные, которые говорят, что Центрально-Азиатский складчатый пояс должен был развиваться по тихоокеанскому типу, есть данные изотопных исследований, которые демонстрируют большое количество рециклированной коры в нем, и есть факты тектонической эрозии в современном океане, свидетельствующие о том, что огромное количество новой коры может уходить безвозвратно, разрушаться. Именно поэтому мы сейчас наблюдаем на поверхности не те пропорции ювенильной и рециклированной коры, что должны были ожидать, — отмечает Инна Сафонова. — То есть мы можем судить об истории любого геологического объекта, в том числе складчатых поясов, не только по породам, выходящим на поверхность Земли и поэтому доступных для нашего изучения, но и по тем, которые вроде должны были быть, а их нет. Отсутствие таких пород тоже очень красноречиво может свидетельствовать о разных фактах геологической истории Земли».
Результаты IGCP#592 легли в основу проекта, поданного от НГУ и получившего мегагрант Правительства РФ осенью 2016 года. «Мультидисциплинарное изучение складчатых поясов тихоокеанского типа и создание согласованной модели эволюции океанов, их активных окраин и мантийного магматизма» ведется под руководством профессора Шигенори Маруяма (Токийский институт технологий, Япония) и Инны Сафоновой.
Ученые ставят перед собой задачу понять, как, изучая древние океаны, можно оценить процессы прироста и потерь континентальной коры, которые происходили в прошлом, выделить периоды, когда кора либо росла, либо наоборот исчезала, когда тектоническая эрозия была самая активная.
Эрозия поверхностная идет практически всегда, но если к ней присоединяется тектоническая эрозия, количество материала, которое попадает в глубоководный желоб в зоне субдукции, вырастает в десятки раз. Этот материал погружается до определенных глубин, где он может накапливаться и менять состав и физико-химические условия мантии и вызывать плавление, то есть образование жидкой магмы там, где ее теоретически быть не должно. Например, есть определенный средний состав мантии, который при средних температурах и давлениях на глубинах 300—600 км не должен плавиться. Но если туда добавить материал погружающейся океанической коры: как твердые породы, так и рыхлые осадки, воду (она также может попадать в мантию напрямую, через трещины в изогнутой океанической плите), СО2, а также материал самой континентальной коры — гранитоиды, обогащенные радиоактивными элементами, то все эти вещества, накапливаясь в мантии миллионы лет, меняют ее состояние и снижают температуры плавления. Это вызывает то, что геологи называют внутриплитным континентальным магматизмом. Именно эти процессы отвечают за появление вулканов не на стыке тектонических плит, а внутри континента.
«Изучение процессов, происходящих в мантии под влиянием перечисленных веществ, является основой нашего мегагранта и логическим результатом пятилетних, которые мы провели в Центрально-Азиатском складчатом поясе в сравнении с Западной Пацификой», — говорит Инна Сафонова.
