В протерозое земная кора была тонкой, а горы низкими

Китайские геохимики разработали метод реконструкции мощности континентальной земной коры по элементам-примесям в цирконе — очень прочном минерале, зерна которого сохраняются, даже если вмещающие породы полностью разрушены. Анализ интенсивности процессов горообразования на нашей планете в течение 4,4 миллиардов лет показал, что в протерозое, в период так называемого «скучного миллиарда» между 1,8 и 0,8 млрд лет назад, земная кора была тонкой, горы не росли, а только разрушались. В это же время приостановилась биологическая эволюция на Земле.

Новая континентальная кора формируется на активных окраинах континентов, где в зонах субдукции океанические литосферные плиты погружаются под континентальные, и в зонах коллизии, где континентальные плиты сталкиваются между собой.

Для активных континентальных окраин характерен мощный вулканизм (цепочки вулканов образуют вулканические островные дуги), а также активное механическое взаимодействие двух плит, в результате которого осадочный чехол океанической плиты и край континентальной сминаются в складки, образуя горы. Такой процесс сейчас происходит, например, на западном побережье Южной Америки, где вздымаются Анды.

Примером зон коллизии является Альпийско-Гималайский складчатый пояс, образовавшийся в результате закрытия океана Тетис и столкновения Индийской и Евразийской литосферных плит. В результате столкновения мощность коры здесь также увеличилась — под Гималаями она сегодня составляет около 70 км. Для сравнения, мощность континентальной коры под равнинами— от 30 до 50 км.

Итак, горообразование и утолщение земной коры тесно связаны с процессами тектоники и вулканизма: чем эти процессы активнее, тем больше образуется гор и тем они выше.

Но горы не вечны, со временем процессы эрозии и выветривания разрушают их, выравнивая земную поверхность. Поэтому для каждого момента геологической истории соотношение гор и равнин может служить показателем орогенной (горообразовательной) активности. Но как оценить этот показатель, если от древних континентов остались лишь небольшие фрагменты, встроенные в сложную разновозрастную мозаику современной суши?

Геохимик Мин Тан (Ming Tang) из Пекинского университета и его коллеги предложили использовать в качестве косвенного показателя мощности земной коры в разные геологические эпохи соотношение редкоземельных элементов в цирконе (ZrSiO₄). Этот силикат циркония хорош тем, что он присутствует в виде акцессорного минерала практически во всех магматических горных породах, а его примеси можно использовать в качестве индикаторов первичного состава материнских магм. При этом в силу своей чрезвычайной прочности и химической устойчивости, циркон в виде обломков сохраняется в осадочных породах даже тогда, когда от первичных магматических пород, в состав которых он входил, не остается и следа.

Например, цирконы из района Джек Хиллс (см. Jack Hills) в Западной Австралии, самые древние минеральные образования земного происхождения, обнаруженные на сегодняшний день, — это все, что осталось от древнейшей земной коры. Их возраст составляет около 4,4 млрд лет, в то время как возраст Земли оценивается в 4,54 млрд лет. Так как циркон всегда содержит примеси радиоактивных изотопов урана и тория, его также легко использовать в качестве природного геохронометра для датирования горных пород.

Изучая гранитные породы из Южного Тибета, Тан и коллеги заметили, что кристаллы циркона в них имеют зональное строение, указывающее на то, что состав магматического расплава менялся по мере роста кристаллов (рис. 2).

Рис. 2. Зональные кристаллы циркона. Рисунок из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Science

Проанализировав состав примесей редкоземельных элементов в зональных цирконах, ученые выяснили, что по мере роста земной коры под Гималаями в кристаллах увеличивалась доля европия по отношению к другим лантаноидам. Авторы предложили использовать коэффициент Eu/Eu*, равный нормированному по хондритам значению (mathrm{Eu}/sqrt{mathrm{Sm} imesmathrm{Gd}}), в качестве индикатора условий образования расплавов в глубинном магматическом очаге, расположенном на границе коры и мантии.

Дело в том, что распределение европия, самария и гадолиния между цирконом и расплавом зависит от давления в очаге магмообразования, которое определяется глубиной заложения этого очага, то есть мощностью земной коры. В отличие от других лантаноидов, для которых характерно окислительное число +3, европий может иметь степень окисления как +2, так и +3. На небольших глубинах европий присутствует в форме Eu²⁺ и вместе со Sr²⁺ входит в решетку плагиоклаза — минерала, который кристаллизуется из расплава одним из первых. В итоге, остаточный расплав обедняется европием и возникает отрицательная европиевая аномалия (Eu/Eu*<1).

На больших глубинах плагиоклаз становится нестабильным и вместо него кристаллизуется гранат, забирающий из расплава двухвалентное железо. В остаточном расплаве европий переходит в форму Eu³⁺, которая проще (по сравнению с Eu²⁺) входит в кристаллическую решетку циркона (рис. 3). Таким образом, преобладание европия над самарием и гадолинием в цирконе, по мнению авторов, указывает на большее давление в очаге магмообразования на границе коры и мантии под континентами и, следовательно, на большую мощность земной коры (M. Tang et al., 2020. Reconstructing crustal thickness evolution from europium anomalies in detrital zircons).

Рис. 3. Влияние толщины континентальной земной коры на дифференциацию европия в магматическом очаге, расположенном на границе коры и мантии. А — тонкая кора: фракционирование Eu²⁺ плагиоклазом и обеднение европием остаточного расплава (отрицательная европиевая аномалия Eu/Eu*<1). В — толстая кора: образование граната и системы Eu²⁺/Eu³⁺, обогащение европием циркона (положительная европиевая аномалия Eu/Eu*>1). Рисунок из статьи M. Tang et al., 2020. Reconstructing crustal thickness evolution from europium anomalies in detrital zircons

В новом исследовании ученые собрали данные по составу более чем 14 тысяч цирконов со всего мира и построили график изменения мощности земной коры на протяжении всей геологической истории Земли, включая катархейскую (гадейскую) эру, охватывающую период от возникновения нашей планеты в процессе концентрации космического материала (4,54 млрд лет назад) до времени образования древнейших из известных на сегодняшний день горных пород (4,0 млрд лет назад) (рис. 4).

Рис. 4. Реконструкция мощности континентальной коры на протяжении всей геологической истории Земли. По горизонтали — возраст (в млрд лет назад); по вертикали — средняя мощность активной континентальной коры (в км) и изотопное отношение Eu/Eu* в цирконах. На нижней диаграмме показано географическое и возрастное распределение образцов циркона, а также предполагаемое время существования суперконтинентов Пангея, Гондвана, Родиния и Нуна. Вертикальные полосы: бежевая — период активного орогенеза (горообразования) и формирования основных кратонов; серая — «средний возраст Земли» (также называемый «скучным миллиардом»), когда горообразование практически не происходило. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Результаты показали, что самая мощная континентальная кора формировалась в среднем и позднем архее (от 3,2 до 2,5 миллиардов лет назад), когда образовалось большинство кратонов —«ядер» древних континентов, и в фанерозое (от 541 млн лет назад до настоящего времени). В протерозое же, примерно с 1,8 до 0,8 миллиарда лет назад, континентальная земная кора не увеличивалась в мощности, а наоборот, становилась все тоньше. По мнению авторов, в это время новые горы не росли, и шло интенсивное разрушение старых (архейских) гор в результате эрозии и выветривания. Данный период совпадает с так называемым «скучным миллиардом», или «средним возрастом Земли» — длительным периодом геологической истории, когда тектонические процессы замерли, а биологическая эволюция практически остановилась.

Ученые предполагают, что эти два процесса взаимосвязаны: вздымание и активный размыв горных областей модулируют водный сток с континентов — главный источник поступления минеральных питательных веществ в океан, где в протерозое была сосредоточена жизнь. Прекратилось горообразование — замедлилось поступление основных элементов, необходимых для жизнедеятельности живых организмов (в первую очередь — фосфора), и остановилась эволюция жизни. Как следствие, в течение всего «скучного миллиарда» количество кислорода в атмосфере оставалось на стабильно низком уровне.

Хотя точная причина прекращения горообразования в протерозое неизвестна, авторы считают, что это было связано с замедлением тектоники плит. Именно взаимодействия между плитами приводят к росту гор в местах их столкновения или там, где одна плита подминается под другую. А в период «среднего возраста Земли» все плиты собрались вместе — сначала в суперконтинент Нуна (Колумбия), который начал формироваться 2,1 млрд лет назад, а затем, после небольшой перестройки, — в суперконтинент Родиния, просуществовавший вплоть до 0,9 млрд лет назад.

Почти на миллиард лет массив Нуны-Родинии, образованный мощными континентальными блоками — архейскими кратонами с глубокими корнями, уходящими в верхнюю мантию, заблокировал мантийные конвективные потоки — главный двигатель тектоники плит. Все это время горы разрушались, а литосфера под суперконтинентом утончалась, пока не стала на треть тоньше, чем сегодня. Примерно 750 млн лет назад Родиния распалась, тектонические движения плит возобновились уже в нынешнем виде, континентальная кора снова начала расти, а приток питательных веществ в океан способствовал бурной эволюции и появлению сложных форм жизни.

Источник: Ming Tang, Xu Chu, Jihua Hao, Bing Shen. Orogenic quiescence in Earth’s middle age // Science. 2021. DOI: 10.1126/science.abf1876.

Владислав Стрекопытов