Наиболее древние горные породы

Фотография кратона Пилбара в западной Австралии, сделанная со спутника

Австралийские геологи провели датировку горных пород кратона Пилбара — самого древнего из известных участков земной коры — и благодаря этому уточнили механизм его образования. Оказалось, что формирование этого кратона произошло примерно 3,4 миллиарда лет назад в результате нескольких циклов гравитационного перемешивания длительностью около 100 миллионов лет каждый, пишут ученые в Nature Geoscience.

Известно, что в архее — от двух с половиной до четырех миллиардов лет назад — процессы движения земной коры довольно сильно отличались от современных. Если сейчас литосферные плиты двигаются за счет тектонических процессов в основном горизонтально, погружаясь одна под другую в области субдукционных зон, то в архее температура на планете была слишком высокой, часть горных пород земной коры находилась в расплавленном состоянии, поэтому движение земной коры определялось другими процессами, в первую очередь вертикальным перемешиванием. Несмотря на то, что именно эти процессы привели привели к формированию современных литосферных плит, материальных свидетельств о геологических процессах, происходивших с литосферой в катархее и раннем архее, практически не сохранилось. Одним из немногих источников информации служат самые старые кратоны — стабильные участки земной коры с основанием, сформировавшимся в архее. Сейчас на Земле несколько таких участков, расположенных в Индии, Южной Африке и Западной Австралии.

Для уточнения механизмов формирования современной земной коры австралийские геологи под руководством Даниэля Ваймера (Daniel Wiemer) из Квинслендского технологического университета изучили состав кратона Пилбара в западной Австралии — одного из двух самых старых участков земной коры. Его возраст составляет от 3,6 до 3,4 миллиардов лет, и в его состав входит три типа горных пород — основные и ультраосновные породы с преобладающим содержанием железа и магния, которые вместе образуют зеленокаменный пояс, и кислые магматические породы на основе гранита. Эти три слоя формируют периодическую купольно-килевую (dome-and-keel) структуру, в которой одни участки сменяются другими.

Купольно-килевая структура кратона Пилбара. Желтым цветом обозначена кислая магматическая порода на основе гранита, которая формирует купола, зеленым цветом — зеленокаменный пояс, формирующий килевые образования

Wikimedia commons

Поделиться Предполагается, что к формированию такой структуры в раннем архее привел повторявшийся двухстадийный процесс вертикального перемешивания пород с длительностью одного цикла около 90–100 миллионов лет. Основным механизмом при этом считается развитие гидродинамической неустойчивости Рэлея—Тейлора, которая возникает на границе двух фаз разной плотности вследствие силы тяжести и разницы температур. В результате этого зеленокаменные породы протекают внутрь гранитных, формируя сначала отдельные «пальцеобразные» структуры, которые затем развиваются, сливаясь в более крупные устойчивые образования.

Процесс образования купольно-килевой структуры кратона Пилбара в результате гравитационного «перемешивания» горных пород различной температуры. На первой стадии процесса более холодные основные горные породы погружаются вглубь расплавленного гранита, потоки которого, наоборот, поднимаются наверх

Wikimedia commons

Поделиться

Процесс образования купольно-килевой структуры кратона Пилбара в результате гравитационного «перемешивания» горных пород различной температуры. На второй стадии процесса происходит развитие небольших потоков, расположенных случайным образом, в периодическую купольно-килевую структуру с меньшим количеством более крупных образований

Wikimedia commons

Поделиться Именно эти процессы гравитационного перемешивания считаются одним из основных механизмов движения частично расплавленной земной коры в архее, однако до настоящего дня их не удавалось изучить количественно и провести их точную датировку. В проведенном исследовании геологи впервые достаточно точно определили время этих процессов, а также описали их с помощью термодинамической модели. Датировка отдельных участков горных пород кратона Пилбара с помощью изотопного анализа свинца и урана показала, что в этом случае один из циклов гравитационного перемешивания продолжался примерно 10 миллионов лет и окончился около 3,41 миллиарда лет назад. Это, например, привело к вертикальному переносу более старых гранитных пород вверх.

Предложенный авторами механизм формирования земной коры в результате трех циклов гравитационного перемешивания и его примерная датировка

D. Wiemer et al./ Nature Geoscience, 2018

Поделиться Исследователи отмечают, что для формирования современной земной коры потребовалось три цикла длительностью около 100 миллионов лет. Каждый из циклов включал в себя более короткие промежутки перемешивания в результате гравитационной неустойчивости длиной от 5 до 30 миллионов лет и более длинные паузы между ними длительностью около 75 миллионов лет, во время которых происходили локальные процессы старения породы, связанные с эрозией и вулканизмом. В результате этих трех циклов образовалась твердая литосферная плита, которая потом уже двигалась по современным тектоническим механизмам.

Ученые утверждают, что полученные ими результаты согласуются с данными, известными для других, более молодых кратонов в Африке и Индии. Предложенный геологами количественный механизм формирования земной коры может быть использован как в будущих полевых исследованиях, так и для моделирования геологических процессов на Земле.

Горные породы кратона Пилбара — один из важных источников информации о геологическом состоянии Земли в архее. Например, изучение газовых пузырьков в базальтовых породах, найденных именно в Пилбаре, показало, что атмосферное давление на Земле около 2,5–3 миллиардов лет назад было почти в два раза ниже современного, что ученые связывают с низким содержанием азота.

Александр Дубов

Добавить комментарий

Закрыть меню