Замкнутый цикл Земли: что такое реламинация и как мантия переплавляет старые континенты в новые

Согласно базовым принципам геологии, структура верхних оболочек Земли определяется разницей в плотности материалов. Планета покрыта тектоническими плитами, которые делятся на два основных типа: океанические и континентальные. Океаническая кора тонкая, но очень плотная и тяжелая, так как состоит преимущественно из базальтов. Континентальная кора, напротив, достигает толщины в десятки километров, но состоит из более легких пород, богатых кремнием и алюминием, таких как граниты.

Из-за этой разницы в плотности процессы на границах тектонических плит протекают по-разному. Когда океаническая плита сталкивается с континентальной, тяжелый океанический базальт неизбежно уходит вниз, погружаясь в вязкую мантию Земли. Этот процесс называется субдукцией. Однако когда сталкиваются два континента — как это произошло при столкновении Индостана с Евразией, ни один из них не может легко погрузиться в мантию. Из-за своей легкости континентальная масса сопротивляется погружению. Вместо этого породы сминаются, деформируются и образуют огромные горные системы, такие как Гималаи.

Тем не менее, результаты изучения химического состава горных пород указывают на серьезную проблему в этой классической модели. Исследователи давно обратили внимание на процессы, которые происходят через миллионы лет после столкновения континентов. Глубоко под образовавшимися горными хребтами формируются колоссальные объемы магмы, которая затем застывает внутри коры. Анализ этих магматических пород выявил геохимический парадокс. В их составе одновременно присутствуют элементы, которые в природе находятся в совершенно разных слоях планеты.

С одной стороны, в этих породах зафиксировано высокое содержание магния. В условиях Земли магний в таких концентрациях характерен исключительно для перидотита — тяжелой породы, из которой состоит глубинная мантия. С другой стороны, эти же расплавы перенасыщены кремнием и щелочными металлами (например, калием), которые являются типичными маркерами верхней континентальной коры. Возник вопрос: каким образом легкая континентальная кора смогла преодолеть законы физики, погрузиться в мантию, смешаться с ней и породить этот гибридный магматический расплав? Долгое время предполагалось, что необходимые химические элементы переносятся в мантию с помощью жидкостей (флюидов), просачивающихся сквозь трещины. Но расчеты показывали, что жидкости не способны перенести нужный объем вещества для формирования столь масштабных магматических структур.

Новое исследование, опубликованное в научном журнале Nature Geoscience, предлагает точное физическое и математическое обоснование этого процесса. Группа ученых использовала методы суперкомпьютерного термомеханического моделирования и совместила их с реальными физическими экспериментами при экстремальных давлениях. Результаты исследования доказывают, что значительные массивы континентов действительно погружаются в мантию, после чего проходят сложный процесс разделения и смешивания.

Физика расслоения литосферы

Чтобы понять механику процесса, необходимо рассмотреть динамику столкновения плит на глубинах около 100 километров. Когда океан, разделяющий два материка, закрывается, тяжелая океаническая плита уходит в мантию и своей огромной массой продолжает тянуть за собой прикрепленный к ней край континентальной плиты.

Компьютерные модели, учитывающие физические свойства горных пород (их вязкость, плотность и реакцию на нагрев), показывают, что континентальная кора не является однородной. Она состоит из плотного нижнего слоя и более легкого верхнего слоя. Когда край континента затягивается на глубину 100 километров, разница в физических свойствах этих слоев приводит к критическому напряжению. Плотная нижняя часть континентальной литосферы продолжает движение вниз, вслед за океанической плитой. Но верхняя континентальная кора обладает слишком высокой плавучестью. Она физически отрывается от своего основания.

В геофизике этот процесс отслоения получил название «реламинация». Отделившиеся массивы верхней континентальной коры, оказавшись глубоко в мантии, начинают двигаться вверх из-за разницы в плотности. Они поднимаются до тех пор, пока не достигнут нижней границы нависающей над ними верхней тектонической плиты.

Оказавшись зажатыми между твердой литосферой сверху и горячей мантией снизу, фрагменты коры подвергаются экстремальному давлению и тектоническим сдвигам. В таких условиях происходит механическое смешивание в твердой фазе. Фрагменты легкой континентальной коры внедряются в мантийный перидотит. В результате образуется единый гибридный слой, состоящий из пород с совершенно разными изначальными характеристиками. Спустя несколько миллионов лет, когда давление в зоне столкновения снижается, этот гибридный слой начинает плавиться, формируя ту самую магму, которая поднимается к поверхности.

Экспериментальное подтверждение алгоритмов

Компьютерная симуляция, несмотря на свою точность, требует физического подтверждения. Термомеханические алгоритмы используют упрощенные уравнения для расчета плавления независимых пород, но не могут в полной мере предсказать химический состав гибридного расплава. Чтобы проверить расчеты, исследователи провели серию лабораторных опытов в Национальном музее естественных наук в Мадриде.

Ученые воссоздали условия, предсказанные компьютерной моделью. Они взяли образцы мантийного перидотита и смешали их с осадками и гранодиоритами, которые имитировали состав отслоившейся континентальной коры. Смесь поместили в специальную установку — поршневой цилиндр, способный генерировать экстремальные физические нагрузки. Образцы сжали под давлением в 1.5 гигапаскаля (что соответствует давлению на глубине нескольких десятков километров) и нагрели до температуры 1200 °C. Эксперимент проводился в условиях отсутствия внешней воды, чтобы исключить влияние просачивающихся жидкостей и проверить гипотезу исключительно твердофазного физического смешивания.

Анализ полученного после охлаждения материала подтвердил выводы компьютерной модели. Искусственно синтезированный расплав оказался химически идентичен природным постколлизионным магмам, образцы которых собираются геологами по всему миру. Лабораторная магма продемонстрировала то же высокое содержание мантийного магния в сочетании с низким содержанием кальция и значительным обогащением щелочами и легкими редкоземельными элементами. Этот результат однозначно доказывает, что химический состав горных пород под континентами формируется в результате прямого механического внедрения массивов коры в мантию, а не под воздействием жидкостей.

Изотопные маркеры и эволюция Земли

Подтвердив механизм работы этого процесса, исследователи проанализировали его влияние на эволюцию планеты в глобальном масштабе. Для этого они изучили базу химических данных о горных породах, сформировавшихся на разных этапах истории Земли. Особое внимание уделялось изотопам неодима, которые служат надежными геологическими маркерами времени и происхождения материалов.

Анализ охватил породы, образовавшиеся за последние три миллиарда лет — от древнего архейского эона до периодов формирования суперконтинентов, таких как Нуна, Родиния и Пангея. Выяснилась строгая закономерность. Изотопный состав каждой новой генерации магмы, образующейся после столкновения континентов, напрямую коррелирует с возрастом и составом коры, которая существовала до этого столкновения и была затянута в мантию.

Например, в районах, где погружалась очень древняя архейская кора (как при столкновении Индостана и Евразии), магма имеет один специфический изотопный состав. В регионах, где в мантию уходила более молодая кора (как при формировании гор в Европе сотни миллионов лет назад), магма показывает иные значения.

Это доказывает, что рост и развитие континентов не является простым линейным процессом накопления массы. Земля функционирует как замкнутая система переработки материалов. При каждом цикле столкновения тектонических плит значительная часть континентальной коры неизбежно отслаивается, погружается в глубокие слои планеты и изменяет базовый химический состав мантии. Впоследствии этот смешанный материал вновь подвергается плавлению и возвращается на поверхность, формируя новые участки суши. Таким образом, континенты постоянно перерабатывают собственный фундамент, обеспечивая непрерывное геохимическое обновление планеты на протяжении миллиардов лет.

Источник:Nature Geoscience