Building cratonic keels in Precambrian plate tectonics

В журнале NATURE вышла в свет статья ‘Building cratonic keels in Precambrian plate tectonics’. Авторы А.Л.Перчук (геологический факультет МГУ), T. V. Gerya(Swiss Federal Institute of Technology Zurich, Department of Earth Sciences, Zurich, Switzerland), В.С.Захаров (геологический факультет МГУ) W. L. Griffin (Australian Research Council Centre of Excellence for Core to Crust Fluid Systems/GEMOC, Macquarie University, Sydney, New South Wales, Australia) объяснили как сформировались корни континентов и каким образом в них были созданы благоприятные условия для кристаллизации алмазов.

Корни континентов - это необычные образования в мантии Земли под древнейшими участками материков, иногда достигающие мощности 350 км. У этих участков необычные свойства – они холоднее и легче, чем окружающая мантия, имеют другой геохимический состав. Важно отметить, что корни континентов являются кладовой алмазов нашей планеты, они имеют возраст 1.5-3.5 млрд. лет и в современных условиях не образуются. Долгие годы перед учеными стоял неразрешимый вопрос - каким образом образовались эти древние фрагменты мантии и как они связаны с континентами.

Международная группа геологов и петрологов из России, Швейцарии и Австралии провела масштабный компьютерный эксперимент, моделирующий процессы, происходившие в мантии в докембрийский период истории Земли и смогла найти объяснение происхождению этих древних структур.

«Для экспериментов мы использовали три суперкомпьютера: наш суперкомпьютер МГУ «Ломоносов» и два суперкомпьютера в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, - рассказывает руководитель научной группы, заведующий кафедрой петрологии и вулканологии геологического факультета МГУ им.Ломоносова, профессор Алексей Леонидович Перчук - мы создали компьютерную модель, воспроизводящую особенности древней (архейской) океанической коры и мантии. Оказалось, что процесс субдукции в тот период сильно отличался от современного. В древней субдукции участвовала верхняя мантия другого химического состава, лишенная прежде всего железистого компонента и потому очень легкая. Из-за этого она не уходила целиком на глубину, а затекала гигантскими «языками» под континент, где впоследствии застывала».

В современных условиях в зонах субдукции тяжелая верхняя мантия погружается вместе с океанической земной корой под континент и уходит на огромную глубину в сотни и тысячи километров. Там она вовлекается в процесс конвекции - циркулирует с остальной мантией. В докембрии верхняя мантия под океанами была значительно легче, поэтому не уходила на глубину целиком, а частично затекала под континент. В результате под континентом образовывалась стабильная слоистая структура, не конвектирующая вместе с остальной мантией. Эта структура оставалась на месте в течение нескольких миллиардов лет, где она остывала и затвердевала.

«У нас нашлось геологическое подтверждение разработанной нами новой гипотезы происхождения корней континентов, – добавляет Алексей Леонидович - один из наших соавторов, профессор Грифин из университета Маккуори в Австралии, занимался изучением состава глубинной мантии по ксенолитам в кимберлитовых трубках. Еще в начале века он независимо провел химическую томографию континентальной мантии по составу минералов, которые выносятся на поверхность кимберлитовыми расплавами. Его исследования показали, что эта мантия очень неоднородна, в ней есть участки с аномальным химическим составом на глубине 150-200 км. Когда по нашим численным экспериментам мы составили профиль мантии, выяснилось, что мы в точности воспроизводим химические профили, которые регистрируются с помощью химической томографии в корнях континентов»

Ранее существовали две гипотезы происхождения корней континентов: согласно первой, из нижней мантии поднимался горячий восходящий поток (плюм), который приводил к частичному плавлению мантии под континентом, она обеднялась железом и формировала корни континентов. Вторая, диаметрально противоположная гипотеза, предполагала, что под континентальную кору поддвигались, одна за другой, океанические плиты, и именно эта пачка океанических плит и создала слоистые континентальные корни. Открытие наших ученых показало, что мантийные корни формируются по неизвестному ранее механизму вязкого подтекания, а мантийное вещество, которое попадает под континент, с этим континентом никак не связано. Оно было рождено в зоне спрединга, в океанической обстановке, а потом подтекло под континент в ходе субдукции древних океанических плит.

Другая часть научной работы показывает, как возникли условия для кристаллизации алмазов в этих структурах. В то время, как легкая и горячая часть океанической мантии затекала под континент, ее оставшаяся более холодная часть, насыщенная водными минералами, погружалась (субдуцировала) вместе с океанической корой на большую глубину. Там из нее выделялись углерод-содержащие водные флюиды. Они поднимались наверх и, дойдя до корней континентов, изменяли эти участки химически и насыщали их углеродом, из которого позже образовывались алмазы.

Источник: www.nature.com