Геологи нашли под Евразией 16% древней суши, объяснившие кембрийский взрыв

Между 550 и 500 миллионами лет назад на Земле произошла революция, определившая облик всей современной биосферы. За геологически ничтожный срок примитивные мягкотелые сообщества уступили место сложным формам жизни: в окаменелостях этого периода фиксируется появление практически всех существующих сегодня типов животных. У них сформировались твердые скелеты, минеральные панцири, развитые органы зрения и сложные пищевые цепочки. Это явление называют кембрийским взрывом.

Синхронно с биологическим переломом кардинально изменился химический состав планеты. В осадочных породах той эпохи ученые обнаружили глобальные аномалии в соотношении изотопов стронция, гафния и кислорода. Такие масштабные колебания всегда указывают на одно: недра Земли пришли в движение, вызвав перестройку океанов, атмосферы и климата. Главным фактором подобных изменений традиционно считаются циклы объединения и распада суперконтинентов. Но долгое время геологическая модель этого периода содержала серьезную ошибку: континент Гондвана, сформировавшийся именно в ту эпоху, считался недостаточно крупным, чтобы единолично управлять планетарной системой.

Международная исследовательская группа из Китая и Австралии под руководством геолога Тао Вана опубликовала в журнале Science Advances результаты многолетней работы. Исследователи проанализировали химический состав более 25 тысяч образцов горных пород и обнаружили огромные массы древней континентальной суши, скрытые глубоко под более молодыми горными системами Азии, Европы и Северной Америки. Это открытие показало, что реальная площадь Гондваны была на четверть больше общепринятых оценок. Континент действительно являлся полноценным суперконтинентом — Великой Гондваной, — чья тектоническая активность запустила экологические механизмы, необходимые для расцвета сложной жизни.

В геологии термин «суперконтинент» имеет четкое количественное значение. Этот статус присваивается структуре только в том случае, если она объединяет не менее 75% всей континентальной коры планеты. Предыдущий суперконтинент Родиния, существовавший миллиард лет назад, и более поздняя Пангея, возникшая около 300 миллионов лет назад, уверенно преодолевали этот порог. С Гондваной ситуация оставалась спорной. В классической палеогеографии считалось, что она состояла из современных массивов Южной Америки, Африки, Австралии, Антарктиды, Аравийского полуострова и Индостана. Расчеты показывали, что этот массив объединял лишь около 64% континентальной коры того времени.

Из-за нехватки массы исследователи долгое время спорили о статусе Гондваны, называя ее просто крупным континентальным блоком или «супертеррейном». Возникало фундаментальное противоречие: все изотопные сигналы в кембрийских породах соответствовали влиянию гигантского единого суперконтинента, способного изменить циркуляцию мантии под корой, но физическая площадь известной суши не дотягивала до расчетных значений. Около 11–16% древней континентальной коры бесследно отсутствовали на палеогеографических картах.

Континентальная кора не может исчезнуть в мантии полностью. Она менее плотная, чем океаническая, и поэтому практически не погружается на большую глубину в зонах столкновения плит. Если эти объемы суши существовали в кембрии, они должны были сохраниться в структуре современной Земли. Проблема заключалась в том, что за прошедшие 500 миллионов лет они оказались разорваны тектоническими процессами, перемешаны с более молодыми породами и погребены под толщами осадочных пород современных горных поясов.

Чтобы обнаружить погребенные фрагменты, исследователи отказались от анализа поверхностных слоев и обратились к геохимическому составу нижней части земной коры. Для этой задачи применили самарий-неодимовый метод изотопного датирования. В недрах Земли радиоактивный изотоп самария-147 распадается, превращаясь в стабильный изотоп неодима-143. Период полураспада самария-147 составляет 106 миллиардов лет, что делает эту систему надежными часами для изучения древнейших геологических процессов.

Когда магма отделяется от мантии и образует новую континентальную кору, соотношение самария и неодима фиксируется. Со временем в породе накапливается радиогенный неодим-143. Если древний блок коры спустя сотни миллионов лет повторно плавится под действием высокой температуры и давления, возникающая магма сохраняет первичную изотопную метку этого фундамента. Застывая, она образует граниты и близкие к ним магматические породы. Измеряя концентрацию изотопов в таких гранитах, геологи могут рассчитать так называемый модельный возраст коры истощенной мантии. Этот параметр указывает не на время застывания самого гранита, а на время, когда вещество, из которого он выплавился, впервые поднялось из мантии в состав земной коры.

Авторы исследования собрали и унифицировали базу данных из 25 346 анализов магматических пород кислого и среднего состава со всей территории Евразии и восточной окраины Северной Америки. Это позволило составить непрерывную карту глубинного фундамента континента. Данные распределили по строгим геохимическим критериям:

• Древняя кора (архей и палеопротерозой): модельный возраст более 2 миллиардов лет. К ней относятся устойчивые кристаллические щиты и кратоны — Сибирский, Северо-Китайский, Таримский и Индийский блоки.
• Ювенильная кора (фанерозой): модельный возраст менее 800 миллионов лет. Это абсолютно новое вещество, которое выделилось из мантии уже после кембрийского периода за счет вулканической активности островных дуг.
• Промежуточная кора (протерозой): модельный возраст от 800 миллионов до 2 миллиардов лет.

Именно третья категория пород соответствует веществу, возникшему в период формирования Гондваны. Чтобы полностью исключить вероятность ошибки и не принять молодые вулканические структуры за древнюю платформу, авторы ввели консервативный порог: породу признавали частью докембрийского фундамента только в том случае, если расчетный возраст ее источника превышал 800 миллионов лет.

Анализ выявил под поверхностью молодых складчатых поясов обширные непрерывные блоки древней коры, генетически связанные с Гондваной. Самое крупное открытие касается территории Казахстана. До сих пор геологическое сообщество рассматривало Казахстанский складчатый пояс как мозаику независимых островных дуг и микроконтинентов, которые постепенно сжимались между Сибирью, Восточной Европой и Таримом. Изотопная карта показала иную картину: на глубине под этой областью находится консолидированный блок докембрийской коры площадью не менее 2,2 миллиона квадратных километров.

По своим химическим и возрастным параметрам этот погребенный массив идентичен породам Таримского кратона на западе Китая. Докембрийские вулканические комплексы возрастом от 830 до 760 миллионов лет в обоих регионах имеют одинаковое происхождение. Это доказывает, что Казахстанский блок и Тарим в раннем кембрии составляли еди

По материалам: iXBT