Загадка кратонів: учені пропонують нову теорію формування континентів

Стародавні великі ділянки континентальної кори, відомі як кратони, стабілізували континенти Землі протягом мільярдів років через зміщення суші, утворення гір і розвиток океану. Вчені зі штату Пенсільванія запропонували новий механізм, який міг би пояснити утворення кратонів близько 3 мільярдів років тому, проливаючи світло на давнє питання в геологічній історії Землі.

Вчені повідомили в журналі Nature, що континенти, можливо, не виникли з океанів Землі як стабільні масиви суші, відмінною рисою яких є верхня частина кори, збагачена гранітом. Навпаки, вплив вітру та дощу на свіжу породу приблизно 3 мільярди років тому викликало серію геологічних процесів, які врешті-решт стабілізували земну кору, дозволяючи корі виживати мільярди років без руйнування чи відновлення. За словами вчених, отримані дані можуть дати нове розуміння того, як еволюціонують потенційно придатні для життя планети, схожі на Землю.

Наслідки для планетарної еволюції

«Щоб створити таку планету, як Земля, вам потрібно створити континентальну кору, і вам потрібно стабілізувати цю кору», — сказав Джессі Реймінк, доцент кафедри наук про Землю в Пенсільванському університеті та автор дослідження. «Вчені вважали це одним і тим же — континенти стали стабільними, а потім вийшли над рівнем моря. Але ми говоримо, що ці процеси є різними».

За словами вчених, кратони простягаються на понад 150 кілометрів, або 93 милі, від поверхні Землі до верхньої мантії, де вони діють як кіль човна, утримуючи континенти на рівні або поблизу рівня моря протягом геологічного часу.

Вивітрювання може зрештою призвести до концентрації елементів, що виробляють тепло, таких як уран, торій і калій, у дрібній корі, дозволяючи глибшій корі охолонути й затвердіти. Цей механізм створив товстий твердий шар породи, який, можливо, захистив дно континентів від деформації пізніше — характерна особливість кратонів, кажуть вчені.

Геологічні процеси та виробництво тепла

«Рецепт створення та стабілізації континентальної кори передбачає концентрацію цих елементів, що виробляють тепло, — які можна розглядати як маленькі теплові двигуни — дуже близько до поверхні», — сказав Ендрю Смі, доцент кафедри наук про Землю в Пенсільванському університеті та автор книги вивчення. «Ви повинні це зробити, тому що щоразу, коли атом урану, торію або калію розпадається, він виділяє тепло, яке може підвищити температуру земної кори. Гаряча скоринка нестійка — вона схильна до деформації і не прилипає».

Коли вітер, дощ і хімічні реакції руйнували гірські породи на ранніх континентах, відкладення та глинисті мінерали змивалися в потоки та річки та переносилися в море, де вони створювали осадові відкладення, такі як сланці з високим вмістом урану, торію та калію, — сказали вчені.

Зіткнення між тектонічними плитами поховали ці осадові породи глибоко в земній корі, де радіогенне тепло, що виділяється сланцями, викликало танення нижньої кори. Розплави були плавучими і піднімалися назад у верхню кору, захоплюючи елементи, що виробляють тепло, у скелях, як граніт, і дозволяли нижній корі охолонути та затвердіти.

Вважається, що кратони утворилися від 3 до 2,5 мільярдів років тому — час, коли такі радіоактивні елементи, як уран, розпадалися зі швидкістю приблизно вдвічі швидше та виділяли вдвічі більше тепла, ніж сьогодні. Робота підкреслює, що час, коли кратони утворилися на ранньому Середзем’ї, був унікальним для процесів, які, можливо, призвели до того, що вони стали стабільними, сказав Реймінк.

«Ми можемо розглядати це як питання планетарної еволюції», — сказав Реймінк. «Одним із ключових інгредієнтів, необхідних для створення планети, як Земля, може бути поява континентів на відносно ранньому етапі її життя. Тому що ви збираєтеся створити дуже гарячі радіоактивні опади, які створюють справді стабільну частину континентальної кори, яка живе прямо біля рівня моря і є чудовим середовищем для розмноження життя».

Дослідники проаналізували концентрації урану, торію та калію в сотнях зразків порід архейського періоду, коли утворилися кратони, щоб оцінити радіогенну теплопродуктивність на основі фактичного складу порід. Вони використовували ці значення для створення теплових моделей формування кратону.

«Раніше люди розглядали та розглядали наслідки зміни радіогенного виробництва тепла з часом», — сказав Смай. «Але наше дослідження пов’язує виробництво тепла в гірській породі з появою континентів, утворенням відкладень і диференціацією континентальної кори».

Кратони, які зазвичай знаходяться у внутрішніх частинах континентів, містять одні з найдавніших порід на Землі, але залишаються складними для вивчення. У тектонічно активних районах утворення гірського поясу може вивести на поверхню породи, які колись були поховані глибоко під землею.

Але витоки кратонів залишаються глибоко під землею і недоступні. Вчені сказали, що майбутня робота включатиме взяття зразків стародавніх інтер’єрів кратонів і, можливо, буріння зразків керна, щоб перевірити свою модель.

«Ці метаморфизовані осадові породи, які розплавилися і утворили граніти, що концентрують уран і торій, схожі на бортові самописці чорної скриньки, які записують тиск і температуру», — сказав Смай. «І якщо ми зможемо розблокувати цей архів, ми зможемо перевірити прогнози нашої моделі щодо траєкторії польоту континентальної кори».