» » В протерозое земная кора была тонкой, а горы низкими

В протерозое земная кора была тонкой, а горы низкими


В протерозое земная кора была тонкой, а горы низкими

В протерозое земная кора была тонкой, а горы низкими

Рис. 1. Современные Аппалачи — пример разрушенной древней горной системы. В пермском периоде в результате столкновения двух континентальных плит здесь образовались высокие горы. Сегодня, через 250 миллионов лет, они практически уничтожены процессами эрозии и выветривания и выглядят как холмистое плоскогорье. фото с сайта pixabay.com


Китайские геохимики разработали метод реконструкции мощности континентальной земной коры по элементам-примесям в цирконе — очень прочном минерале, зерна которого сохраняются, даже если вмещающие породы полностью разрушены. Анализ интенсивности процессов горообразования на нашей планете в течение 4,4 миллиардов лет показал, что в протерозое, в период так называемого «скучного миллиарда» между 1,8 и 0,8 млрд лет назад, земная кора была тонкой, горы не росли, а только разрушались. В это же время приостановилась биологическая эволюция на Земле.

Новая континентальная кора формируется на активных окраинах континентов, где в зонах субдукции океанические литосферные плиты погружаются под континентальные, и в зонах коллизии, где континентальные плиты сталкиваются между собой.

Для активных континентальных окраин характерен мощный вулканизм (цепочки вулканов образуют вулканические островные дуги), а также активное механическое взаимодействие двух плит, в результате которого осадочный чехол океанической плиты и край континентальной сминаются в складки, образуя горы. Такой процесс сейчас происходит, например, на западном побережье Южной Америки, где вздымаются Анды.

Примером зон коллизии является Альпийско-Гималайский складчатый пояс, образовавшийся в результате закрытия океана Тетис и столкновения Индийской и Евразийской литосферных плит. В результате столкновения мощность коры здесь также увеличилась — под Гималаями она сегодня составляет около 70 км. Для сравнения, мощность континентальной коры под равнинами— от 30 до 50 км.

Итак, горообразование и утолщение земной коры тесно связаны с процессами тектоники и вулканизма: чем эти процессы активнее, тем больше образуется гор и тем они выше.

Но горы не вечны, со временем процессы эрозии и выветривания разрушают их, выравнивая земную поверхность. Поэтому для каждого момента геологической истории соотношение гор и равнин может служить показателем орогенной (горообразовательной) активности. Но как оценить этот показатель, если от древних континентов остались лишь небольшие фрагменты, встроенные в сложную разновозрастную мозаику современной суши?

Геохимик Мин Тан (Ming Tang) из Пекинского университета и его коллеги предложили использовать в качестве косвенного показателя мощности земной коры в разные геологические эпохи соотношение редкоземельных элементов в цирконе (ZrSiO4). Этот силикат циркония хорош тем, что он присутствует в виде акцессорного минерала практически во всех магматических горных породах, а его примеси можно использовать в качестве индикаторов первичного состава материнских магм. При этом в силу своей чрезвычайной прочности и химической устойчивости, циркон в виде обломков сохраняется в осадочных породах даже тогда, когда от первичных магматических пород, в состав которых он входил, не остается и следа.

Например, цирконы из района Джек Хиллс (см. Jack Hills) в Западной Австралии, самые древние минеральные образования земного происхождения, обнаруженные на сегодняшний день, — это все, что осталось от древнейшей земной коры. Их возраст составляет около 4,4 млрд лет, в то время как возраст Земли оценивается в 4,54 млрд лет. Так как циркон всегда содержит примеси радиоактивных изотопов урана и тория, его также легко использовать в качестве природного геохронометра для датирования горных пород.

Изучая гранитные породы из Южного Тибета, Тан и коллеги заметили, что кристаллы циркона в них имеют зональное строение, указывающее на то, что состав магматического расплава менялся по мере роста кристаллов (рис. 2).


В протерозое земная кора была тонкой, а горы низкими

Рис. 2. Зональные кристаллы циркона. Рисунок из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Science


Проанализировав состав примесей редкоземельных элементов в зональных цирконах, ученые выяснили, что по мере роста земной коры под Гималаями в кристаллах увеличивалась доля европия по отношению к другим лантаноидам. Авторы предложили использовать коэффициент Eu/Eu*, равный нормированному по хондритам значению (mathrm{Eu}/sqrt{mathrm{Sm}timesmathrm{Gd}}), в качестве индикатора условий образования расплавов в глубинном магматическом очаге, расположенном на границе коры и мантии.

Дело в том, что распределение европия, самария и гадолиния между цирконом и расплавом зависит от давления в очаге магмообразования, которое определяется глубиной заложения этого очага, то есть мощностью земной коры. В отличие от других лантаноидов, для которых характерно окислительное число +3, европий может иметь степень окисления как +2, так и +3. На небольших глубинах европий присутствует в форме Eu2+ и вместе со Sr2+ входит в решетку плагиоклаза — минерала, который кристаллизуется из расплава одним из первых. В итоге, остаточный расплав обедняется европием и возникает отрицательная европиевая аномалия (Eu/Eu*<1).

На больших глубинах плагиоклаз становится нестабильным и вместо него кристаллизуется гранат, забирающий из расплава двухвалентное железо. В остаточном расплаве европий переходит в форму Eu3+, которая проще (по сравнению с Eu2+) входит в кристаллическую решетку циркона (рис. 3). Таким образом, преобладание европия над самарием и гадолинием в цирконе, по мнению авторов, указывает на большее давление в очаге магмообразования на границе коры и мантии под континентами и, следовательно, на большую мощность земной коры (M. Tang et al., 2020. Reconstructing crustal thickness evolution from europium anomalies in detrital zircons).


В протерозое земная кора была тонкой, а горы низкими

В протерозое земная кора была тонкой, а горы низкими

Рис. 3. Влияние толщины континентальной земной коры на дифференциацию европия в магматическом очаге, расположенном на границе коры и мантии. А — тонкая кора: фракционирование Eu2+ плагиоклазом и обеднение европием остаточного расплава (отрицательная европиевая аномалия Eu/Eu*1). Рисунок из статьи M. Tang et al., 2020. Reconstructing crustal thickness evolution from europium anomalies in detrital zircons


В новом исследовании ученые собрали данные по составу более чем 14 тысяч цирконов со всего мира и построили график изменения мощности земной коры на протяжении всей геологической истории Земли, включая катархейскую (гадейскую) эру, охватывающую период от возникновения нашей планеты в процессе концентрации космического материала (4,54 млрд лет назад) до времени образования древнейших из известных на сегодняшний день горных пород (4,0 млрд лет назад) (рис. 4).


В протерозое земная кора была тонкой, а горы низкими

Рис. 4. Реконструкция мощности континентальной коры на протяжении всей геологической истории Земли. По горизонтали — возраст (в млрд лет назад); по вертикали — средняя мощность активной континентальной коры (в км) и изотопное отношение Eu/Eu* в цирконах. На нижней диаграмме показано географическое и возрастное распределение образцов циркона, а также предполагаемое время существования суперконтинентов Пангея, Гондвана, Родиния и Нуна. Вертикальные полосы: бежевая — период активного орогенеза (горообразования) и формирования основных кратонов; серая — «средний возраст Земли» (также называемый «скучным миллиардом»), когда горообразование практически не происходило. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science


Результаты показали, что самая мощная континентальная кора формировалась в среднем и позднем архее (от 3,2 до 2,5 миллиардов лет назад), когда образовалось большинство кратонов —«ядер» древних континентов, и в фанерозое (от 541 млн лет назад до настоящего времени). В протерозое же, примерно с 1,8 до 0,8 миллиарда лет назад, континентальная земная кора не увеличивалась в мощности, а наоборот, становилась все тоньше. По мнению авторов, в это время новые горы не росли, и шло интенсивное разрушение старых (архейских) гор в результате эрозии и выветривания. Данный период совпадает с так называемым «скучным миллиардом», или «средним возрастом Земли» — длительным периодом геологической истории, когда тектонические процессы замерли, а биологическая эволюция практически остановилась.

Ученые предполагают, что эти два процесса взаимосвязаны: вздымание и активный размыв горных областей модулируют водный сток с континентов — главный источник поступления минеральных питательных веществ в океан, где в протерозое была сосредоточена жизнь. Прекратилось горообразование — замедлилось поступление основных элементов, необходимых для жизнедеятельности живых организмов (в первую очередь — фосфора), и остановилась эволюция жизни. Как следствие, в течение всего «скучного миллиарда» количество кислорода в атмосфере оставалось на стабильно низком уровне.

Хотя точная причина прекращения горообразования в протерозое неизвестна, авторы считают, что это было связано с замедлением тектоники плит. Именно взаимодействия между плитами приводят к росту гор в местах их столкновения или там, где одна плита подминается под другую. А в период «среднего возраста Земли» все плиты собрались вместе — сначала в суперконтинент Нуна (Колумбия), который начал формироваться 2,1 млрд лет назад, а затем, после небольшой перестройки, — в суперконтинент Родиния, просуществовавший вплоть до 0,9 млрд лет назад.

Почти на миллиард лет массив Нуны-Родинии, образованный мощными континентальными блоками — архейскими кратонами с глубокими корнями, уходящими в верхнюю мантию, заблокировал мантийные конвективные потоки — главный двигатель тектоники плит. Все это время горы разрушались, а литосфера под суперконтинентом утончалась, пока не стала на треть тоньше, чем сегодня. Примерно 750 млн лет назад Родиния распалась, тектонические движения плит возобновились уже в нынешнем виде, континентальная кора снова начала расти, а приток питательных веществ в океан способствовал бурной эволюции и появлению сложных форм жизни.

Источник: Ming Tang, Xu Chu, Jihua Hao, Bing Shen. Orogenic quiescence in Earth’s middle age // Science. 2021. DOI: 10.1126/science.abf1876.

Владислав Стрекопытов


02 март 2021 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Ступенчатая эволюция магматических очагов может предотвращать суперизвержения

Одна из первоочередных задач вулканологии — разобраться в механизмах образования и функционирования супервулканов, активизация даже одного из которых может серьезно повлиять на всю планету. Детальное

Интенсивность метеоритной бомбардировки Земли резко возросла в конце палеозоя

Столкновения с астероидами и крупными метеоритами в истории Земли случались неоднократно, однако довольно сложно понять, с какой частотой это происходило в разные геологические эпохи. Ответ, как ни

«Великое стратиграфическое несогласие» возникло из-за ледниковой эрозии в неопротерозое

«Великое стратиграфическое несогласие» — длительный перерыв в осадконакоплении, который прослеживается в отложениях конца докембрия во многих частях планеты. На значительных территориях из

Древняя континентальная кора могла образоваться в результате метеоритной бомбардировки

В местах падения крупных метеоритов образуются ударные кратеры, породы внутри кратера плавятся, заполняя его магматическим расплавом. Остывая, расплав расслаивается, и строение образующихся интрузий

Жизнь могла зародиться на Марсе неожиданно рано

Поверхность Марса перестала "бомбардироваться" крупными астероидами и метеоритами почти сразу после его формирования.
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Замечательная история о том, почему наследник британского престола носит титул принца Уэльского5 ситуаций, когда кнопочный телефон лучше смартфонаКакое самое плохое решение в истории было принято человеком?Сколько всего опасных динозавров жило на Земле за всю историю?В Австралии найдена самая тяжелая бабочка с огромными крыльямиЧем занять детей в период коронавируса?Все про жесткость ортопедического матрасаКак выбрать качественный матрас для комфортного сна