Новости в фейсбук

Ученые объяснили происхождение алмазоносных корней континентов

Сотрудники геологического факультета МГУ в составе международной группы геологов и петрологов из России, Швейцарии и Австралии провели масштабный эксперимент, моделирующий процессы, происходившие в мантии в докембрийский период истории Земли, и нашли объяснение происхождению этих древних структур. 15 октября в журнале Nature опубликована статья Building cratonic keels in Precambrian plate tectonics. В работе показано, как образовались корни континентов и как в них сформировались благоприятные условия для кристаллизации алмазов.

Корни континентов – это необычные образования в мантии Земли под древнейшими участками материков, иногда достигающие 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, 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?

«Для экспериментов мы использовали три суперкомпьютера: суперкомпьютер МГУ „Ломоносов“ и два суперкомпьютера в Швейцарской высшей технической школе Цюриха. 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», – рассказывает руководитель научной группы, заведующий кафедрой петрологии и вулканологии геологического факультета МГУ, профессор Алексей Перчук.

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.


«Нашлось геологическое подтверждение разработанной нами гипотезе происхождения корней континентов, – добавляет Алексей Перчук. – 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. Вторая, диаметрально противоположная гипотеза предполагала, что под континентальную кору пододвигались одна за другой океанические плиты, и именно эта пачка океанических плит и создала слоистые континентальные корни.

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

Схема. Алексей Перчук / МГУ