Арктические породы открывают новый взгляд на примитивную Землю

Учёные обнаружили новое окно в бурное прошлое Земли. Геохимические данные вулканических пород, собранных на острове Баффинова Земля в канадской Арктике, указывают на то, что под ним находится область мантии, которая в значительной степени избежала миллиардов лет плавления и геологического перемешивания, затронувших остальную часть планеты. Исследователи полагают, что открытие даёт ключи к пониманию ранней химической эволюции Земли.

Вновь идентифицированный мантийный «резервуар» датируется всего несколькими десятками миллионов лет после того, как Земля впервые сформировалась из столкновения меньших тел. Вероятно, он представляет собой состав мантии вскоре после образования ядра, но до того, как 4,5 миллиарда лет формирования и переработки коры изменили состав большей части остальных недр Земли.

«Это была ключевая фаза в эволюции Земли, — говорит соавтор Ричард Карлсон из Департамента земного магнетизма Института Карнеги. — Она задала сцену для всего, что последовало позже. Примитивная мантия, подобная той, что мы идентифицировали, была бы конечным источником всех магм и всех различных типов горных пород, которые мы видим на Земле сегодня».

Исследователи выбрали породы острова Баффинова Земля, которые являются самым ранним проявлением мантийного плюма, питающего сейчас извержения в Исландии, потому что предыдущее изучение изотопов гелия в них показало аномально высокое соотношение гелия-3 к гелию-4. Гелий-3 в целом крайне редок в недрах Земли; большая часть его запаса в мантии была дегазирована вулканическими извержениями и потеряна в космосе за долгую геологическую историю планеты. Высокая доля гелия-3 указывает, что лавы пришли из резервуара в мантии, который ранее никогда не терял свой исходный гелий-3, что подразумевает отсутствие в нём обширной химической дифференциации.

Исследователи подтвердили этот вывод, проанализировав изотопы свинца в образцах лавы, которые датируют резервуар возрастом от 4,55 до 4,45 миллиарда лет. Этот возраст лишь немногим меньше возраста самой Земли. Ранний возраст мантийного резервуара означает, что он существовал до того, как началось плавление мантии для создания магм, формирующих кору, и до того, как тектоника плит позволила этой коре смешиваться обратно в мантию.

«Наши результаты ставят под сомнение распространённое предположение, — говорит Карлсон. — Они предполагают, что до формирования континентов мантия уже была обеднена несовместимыми элементами по сравнению с хондритами, возможно, из-за ещё более раннего события дифференциации Земли».

Из двух возможностей Карлсон склоняется к модели ранней дифференциации, которая предполагает существование глобального магматического океана на новообразованной Земле. Этот океан создал кору, предшествовавшую нынешней. Некоторые из этих глубоких материалов могли остаться расплавленными, и Карлсон отмечает, что сейсмологические исследования глубокой мантии выявляют области, которые кажутся расплавленными и, возможно, химически отличными от остальной мантии.