Земля не всегда была оазисом жизни в негостеприимной Солнечной системе. В течение первых 50 миллионов лет существования нашей планеты, около 4,5 миллиарда лет назад, ее поверхность представляла собой адское месиво из океанов магмы, бурлящих и извергающих жар земных недр.
Последующее охлаждение планеты из этого расплавленного состояния и кристаллизация океанов магмы в твердую породу стали определяющим этапом в формировании структуры Земли, химического состава ее поверхности и образования ее ранней атмосферы.
Предполагалось, что эти первобытные породы, содержащие подсказки, которые могли бы объяснить пригодность Земли для жизни, были потеряны в результате разрушительного действия тектоники плит. Но теперь моя команда обнаружила в южной Гренландии химические остатки земных магматических океанов в породах возрастом 3,7 миллиарда лет, открыв удивительную картину того времени, когда Земля была почти полностью расплавлена.
Содержание
Ад на Земле
Земля – продукт хаотичной ранней Солнечной системы, в которой, как считается, произошло несколько катастрофических столкновений Земли с другими планетарными телами. Кульминацией формирования Земли стало ее столкновение с планетой размером с Марс, в результате которого около 4,5 миллиарда лет назад образовалась наша Луна.
Считается, что в результате этих космических столкновений выделилось достаточно энергии, чтобы расплавить земную кору и почти всю внутреннюю часть нашей планеты (мантию), создав планетарные объемы расплавленных пород, которые образовали “океаны магмы” глубиной в сотни километров. Сегодня, напротив, земная кора полностью твердая, а мантия рассматривается как “пластичное твердое тело”: она обеспечивает медленное, вязкое геологическое движение, что далеко от жидкой магмы ранней мантии Земли.
По мере того как Земля восстанавливалась и остывала после хаотических столкновений, ее глубокие океаны магмы кристаллизовались и затвердели, начав формировать ту Землю, которую мы знаем сегодня. Вулканические газы, которые вырывались из остывающих океанов магмы Земли, возможно, сыграли решающую роль в формировании и составе ранней атмосферы нашей планеты, которая в конечном итоге стала основой для жизни.
Геологический поиск
Найти геологические свидетельства того, что Земля ранее находилась в расплавленном состоянии, крайне сложно. Это связано с тем, что события в океане магмы, скорее всего, происходили более 4 миллиардов лет назад, и многие породы того периода истории Земли с тех пор были переработаны тектоникой плит.
Но хотя горных пород того периода больше не существует, их химические следы могут все еще храниться в земных глубинах. Затвердевшие кристаллы, образовавшиеся в период охлаждения Земли, были настолько плотными, что опустились к основанию земной мантии. Ученые даже полагают, что эти минеральные остатки могут храниться в изолированных зонах глубоко внутри границы мантии и ядра Земли.
Если они и существуют, то эти древние кладбища кристаллов недоступны для нас – они спрятаны слишком глубоко, чтобы мы могли взять образцы. А если бы они и поднялись на поверхность Земли, то кристаллы океана магмы естественным образом прошли бы процесс плавления и застывания, оставив лишь слабые следы своего происхождения в вулканических породах, попавших в земную кору.
Кристаллические подсказки
Мы знали, что Гренландия будет хорошим местом для поиска этих следов расплавленного прошлого Земли. Наши образцы происходят из супракрустального пояса Исуа на юго-западе Гренландии, известного среди геологов. На первый взгляд, породы Исуа выглядят так же, как современный базальт, который можно найти на морском дне. Но эти породы – одни из самых древних в мире, их возраст, предположительно, составляет 3,7-3,8 миллиарда лет.
Анализируя породы Исуа, мы обнаружили уникальные изотопные сигнатуры железа. Они показали, что область мантии, из которой образовались породы, подвергалась очень высокому давлению на глубине более 700 километров под поверхностью Земли. Именно там должны были находиться минералы, образовавшиеся во время кристаллизации первобытного океана магмы.
Но если эти породы действительно несут следы кристаллизованного океана магмы, то как они оказались на поверхности Земли? Ответ кроется в том, как плавятся земные недра, образуя вулканические породы на поверхности планеты.
Плавящиеся породы
Когда участки полутвердой мантии Земли нагреваются и плавятся, они всплывают к земной коре, в итоге образуя вулканические породы, когда магма достигает поверхности и застывает. Изучая химический состав этих пород на поверхности, мы можем определить состав материала, который расплавился и образовал их.
Изотопный состав пород Исуа показал, что их путь к поверхности Земли включал несколько этапов кристаллизации и переплавки в недрах планеты – своего рода процесс дистилляции по пути наверх. Но поднявшиеся на поверхность породы, расположенные на территории современной Гренландии, сохранили химические признаки, связывающие их с прошлым Земли, покрытой магмой.
Результаты нашей работы представляют собой первое прямое геологическое доказательство присутствия кристаллов океана магмы в вулканических породах, найденных на поверхности Земли. Теперь мы хотели бы понять, могут ли другие древние вулканические породы по всему миру рассказать нам больше о древних магматических океанах Земли, или же мы наткнулись на геологическую странность, единичную подсказку.
Если другие вулканы извергали подобные геологические артефакты, мы можем обратиться к современным горячим точкам извержения, таким как Гавайи и Исландия, в поисках новых изотопных новинок, говорящих о древнем прошлом Земли. Возможно, в будущем будут найдены новые первозданные породы, которые помогут нам лучше понять бурное, покрытое магмой прошлое Земли.
Хелен М. Уильямс, преподаватель геохимии, Кембриджский университет.
Читайте также: В течение миллиардов лет на Земле не было огня