Тектоника плит могла помочь зарождению жизни на Земле 4 миллиарда лет назад

Возраст самого старого поверхностного слоя Земли, образующего континенты, называемого корой, составляет около 4 миллиардов лет, и он состоит из вулканических пород толщиной 25–50 км, известных как базальты.

Первоначально учёные думали, что вся планета покрыта единой литосферной корой, тогда как отдельные плиты, которые мы видим сегодня, начали формироваться только 1 миллиард лет спустя. Однако отношение к этой гипотезе подвергается сомнению.

Механизм формирования этой континентальной коры несколько загадочен: теперь ученые предполагают, что он мог быть вызван тектоникой плит — движением основных поверхностных плит Земли по земному шару в течение миллиардов лет, формирующим массивы суши и топографические особенности, которые мы видим сегодня.

Одна теория фокусируется на том, когда плиты сходятся, часто вызывая погружение одной под другую, что приводит к частичному плавлению и изменению состава магмы, в то время как другая изучает механизмы, происходящие внутри самой коры (на глубине менее 50 км), которые полностью отделены от границ плит, но также вызывают частичное плавление.

Новое исследование сообщает об экспериментальной работе над аналогом океанических плато, больших плоских возвышений с крутыми краями, которые представляют собой раннюю базальтовую кору, первоначально образовавшуюся в эоархее (3,6–4 миллиарда лет назад).

Ученые из Эдинбургского университета подвергли базальты океанических плато юго-западной части Тихоокеанского плато Онтонг-Ява экспериментам по плавлению при высоких температурах и давлении.

Обнаруженная континентальная кора не могла образовываться при давлении <1,4 гигапаскаля (ГПа) на глубине до 50 км, что указывает на то, что такая магма образовалась во время конвергентных зон субдукции. Следовательно, они предполагают, что тектоника плит, пусть даже в примитивной форме, существовала 4 миллиарда лет назад.

Эти знания являются важными, поскольку тектоника плит ответственна за эрозию, отложение, горообразование и вулканическую активность, которые играют различную роль в формировании континентальной коры. Исследовательская группа предполагает, что газы, выделяющиеся в результате вулканизма, особенно окись углерода и метан, возможно, помогли зарождению жизни на Земле, став источником пребиотических молекул, ведущих к появлению первых микробных организмов.

За пределами Земли богатая кремнеземом континентальная кора также была обнаружена в меньших объемах на Марсе и Венере, что дает представление о роли тектоники плит при более широком взгляде на Солнечную систему.

Ученые исследовали стабильность ряда минералов при различных давлениях (1,2–1,4 ГПа, что эквивалентно глубине примерно 40–50 км), чтобы определить, в какой момент они трансформировались, при этом потенциальные температуры мантии достигали 1500–1650 ° C. Ключевыми минералами для исследования были гранат (который, как известно, стабилен при давлениях > 1 ГПа, что соответствует глубине ~ 30 км) и плагиоклазовый полевой шпат (стабилен до ~ 1,8 ГПа, глубина ~ 60 км), рутил (стабилен при давлениях 0,7-1,6 ГПа, глубина ~25–55 км) и амфибол (контролирует реакции дегидратации и плавления).

Результаты экспериментов показали, что гранат и рутил не стабилизировались при температуре <1,4 ГПа (глубина ~ 45–50 км), что выше, чем было обнаружено в предыдущих исследованиях, но команда объясняет, что их исходная океаническая кора имела более высокое содержание магния, что больше соответствует ожидаемому составу эоархейской основной (богатой железом и магнием) коры.

Ученые также провели обратный эксперимент, в котором выращивали кристаллы граната при более высоком давлении (2 ГПа), а затем подвергли его более низкому давлению (1,4 ГПа) и обнаружили, что кристаллы граната начали разрушаться. Впоследствии они обнаружили, что давление ~ 1,6 ГПа (глубина > 50–55 км) было стабильным для граната, что усилило ранее существовавшее мнение о стабильности при давлении 1 ГПа и, следовательно, увеличило глубину образования. Следовательно, субдукция является более подходящим механизмом для объяснения этой реакции.

Моделирование также предполагает, что ранние магмы подвергались фракционной кристаллизации по мере того, как они поднимались сквозь земную кору, в результате чего кристаллы отделялись от жидкой магмы, и оставшийся пул магмы обеднялся определенными элементами, использованными в исходных кристаллах, поэтому состав постоянно менялся по мере формирования новых кристаллов.

Благодаря этому исследовательская группа определила кристаллизацию амфибола как основную причину частичного плавления, поскольку это водный минерал, который мог быть включен в кору путем опрокидывания и захоронения. Это соответствует признакам известных эоархейских вулканических пород, таких как тоналиты и трондьемиты.

Исследование было опубликовано журнале Nature Geoscience.