Серия счастливых событий: цирконы Антарктиды рассказали историю раннего вулканизма

Геологи из Мичиганского технологического университета, Университета Висконсина в Ошкоше и ETH Zurich проследили возраст и химические сигнатуры, сохранённые в крошечных минералах циркона, чтобы изучить переработку углерода из мантии на поверхность в течение геологического времени.

Более глубокое понимание этих изменений в углеродном цикле помогает улучшить модели того, как ранние процессы планеты перешли от холодной «Земли-снежка» с почти глобальным ледяным покровом к более умеренным колебаниям между ледниковыми периодами и тёплыми эпохами. Исследование команды будет опубликовано в Nature Geoscience в следующий понедельник.

Химические изменения записаны в масштабе континентов, но детали этого континентального роста заперты в послойных кристаллических структурах крошечных цирконов, собранных в Антарктиде. Некоторые минералы меньше 100 микрон, едва ширина среднего человеческого волоса. Команда сосредоточилась на изучении следовых элементов в этих цирконах, чтобы определить тип исходной породы, в которой вырос минерал, что указывает на тип магмы, оставившей эту химическую сигнатуру.

Лаборатория ETH Zurich использовала уран-свинцовое датирование, чтобы определить возраст образцов. Учёные наблюдали пик магматических типов, выделяющих углерод, который произошёл между 500 и 700 миллионами лет назад, в эдиакарском периоде. Это означает, что, вероятно, было высвобождено значительное количество углерода. Речь идёт об щелочном вулканизме, подобном тому, что наблюдается на горе Этна в Италии или горе Эребус в Антарктиде, который может превосходить выбросы CO₂ других вулканов в 10–50 раз.

«Щелочные магмы образуются при плавлении очень небольшой части мантии, — объясняет соавтор Чад Диринг. — Хотя они редки и малы по объёму, их важность заключается в количестве выделяемого углекислого газа и особых условиях их образования». По мере субдукции мантия «загрязняется» летучими материалами с поверхности Земли — водой, углеродом, серой. Этот медленный процесс, происходящий на протяжении сотен миллионов лет, в конечном итоге приводит к генерации щелочной магмы, способной извергаться на поверхность.

Прохладная субдукция и «загрязнение» мантии могут производить породы, известные как глаукофановые сланцы (blueschists), хорошо задокументированные в породах эдиакарского периода вместе со щелочным вулканизмом. Вслед за импульсом богатого углеродом вулканизма происходит скачок атмосферного CO₂ (что также зафиксировано в изотопной летописи углерода) и наступает период потепления. Вся эта серия событий привела к формированию атмосферы и геологических циклов, которые сформировали современную планету.

«Мы обнаружили, что на протяжении истории Земли был особенно значительный выброс углерода, который непосредственно предшествовал кембрийскому взрыву — самому важному возникновению жизни из всех, что когда-либо происходили», — отмечает Диринг. Таким образом, химические сигнатуры древних вулканов, извлечённые из крошечных цирконов, показывают, что серия взаимосвязанных событий во время формирования древнейших континентов и переработки материалов с поверхности в итоге сформировала наш современный углеродный цикл.