Ученые выдвинули новую теорию формирования земных континентов

Ученые из Пенсильванского университета описали возможный механизм формирования кратонов — древних и обширных участков континентальной коры. Кратоны простираются более чем на 150 километров, от поверхности Земли до верхней мантии, где они действуют подобно килю лодки, удерживая континенты на плаву на уровне моря или вблизи этого показателя в течение геологического времени.

Новый механизм, предложенный учеными, может объяснить, как образовались кратоны около 3 миллиардов лет назад. Считается, что кратоны сформировались между 3 и 2,5 миллиардами лет назад — в то время, когда радиоактивные элементы, такие как уран, распадались примерно в два раза быстрее и выделяли в два раза больше тепла, чем сегодня.

Согласно новой теории, материки не возникли из океанов планеты как стабильные массивы суши. Более вероятно, что воздействие дождей и ветров на свежую породу около 3 млрд лет назад запустило серию геологических процессов, создавших устойчивую кору.

"Чтобы создать планету, подобную Земле, вам нужно создать континентальную кору, и вам нужно стабилизировать эту кору", - сказал Джесси Рейминк, доцент кафедры наук о земле в Пенсильванском университете и автор исследования. "Ученые думали об одном и том же - континенты стали стабильными, а затем поднялись над уровнем моря. Но мы говорим, что эти процессы происходили не одновременно".

В результате выветривания в неглубокой коре сконцентрировались тепловыделяющие элементы: уран, торий, калий. Это позволило более глубокой коре остыть и затвердеть. Так был создан толстый, твердый слой, который защитил дно континентов от деформации.

"Рецепт формирования и стабилизации континентальной коры предполагает концентрацию этих тепловыделяющих элементов, которые можно рассматривать как маленькие тепловые двигатели, расположенные очень близко к поверхности", - сказал Эндрю Смайе, адъюнкт-профессор наук о земле в Пенсильванском университете и автор исследования. "Вы должны учитывать это, потому что каждый раз, когда атом урана, тория или калия распадается, он выделяет тепло, которое может повышать температуру земной коры. Горячая кора нестабильна - она подвержена деформации и не удерживается на месте."

Когда ветер, дождь и химические реакции разрушали горные породы на древних континентах, отложения и глинистые минералы смывались в ручьи и реки и попадали в море. Там они образовывали осадочные отложения, например сланцы, в которых содержалось большое количество урана, тория и калия.

Столкновения тектонических плит погребали эти осадочные породы глубоко внутри земной коры. Там под воздействием радиогенного тепла, выделяемого сланцами, нижняя часть земной коры плавилась. Расплавы поднимались обратно в верхнюю часть земной коры, удерживая элементы, выделяющие тепло, в таких породах, как гранит. Это позволяло нижней части земной коры остывать и затвердевать.

"Мы можем рассматривать это как вопрос планетарной эволюции", - сказал Рейминк. "Одним из ключевых компонентов, необходимых для создания планеты, подобной Земле, может быть появление континентов на относительно ранних этапах ее существования. Потому что вы собираетесь создать радиоактивные отложения, которые очень горячие и которые создают действительно стабильный участок континентальной коры, который находится прямо на уровне моря и является отличной средой для размножения жизни ".

Исследователи проанализировали концентрации урана, тория и калия в сотнях образцов горных пород архейского периода, когда формировались кратоны, чтобы оценить отдачу радиогенного тепла на основе фактического состава горных пород. Они использовали эти значения для создания тепловых моделей формирования кратонов.

"Наше исследование связывает выработку тепла в горных породах с возникновением континентов, образованием отложений и дифференциацией континентальной коры" - сказал Смайе.

Кратоны, находящиеся внутри континентов, содержат самые древние горные породы на Земле. В тектонически активных районах образование горных поясов выносит на поверхность глубоко погребенные породы. Но истоки кратонов остаются недоступными. Ученые заявили, что в будущем они будут брать образцы древних недр кратонов и, возможно, бурить керн для проверки своей модели.

"Эти метаморфизованные осадочные породы, которые расплавились и образовали граниты, концентрирующие уран и торий, похожи на бортовые самописцы "черного ящика", которые регистрируют давление и температуру", - сказал Смайе. "И если мы сможем открыть этот архив, мы сможем проверить предсказания нашей модели относительно траектории движения континентальной коры".

С полным исследованием можно ознакомиться в журнале Nature, в статье Subaerial weathering drove stabilization of continents.