Підвищений вміст алюмінію в цирконах з найдавніших порід Західної Австралії показав, що вже близько 3,6 мільярда років тому вони кристалізувалися на досить великій глибині, в умовах збільшення потужності кори. З цим явищем в історії ранньої Землі пов'язують епоху, коли в тектонічному режимі значущу роль стали набувати горизонтальні процеси, пов'язані із зародженням механізму тектоніки плит. Мабуть, цей перехід відбувався локально вже на початку архею, повідомляє стаття в журналі.
Тектоніка плит - це важлива частина системи перенесення теплової енергії від гарячих центральних областей Землі до поверхні. Завдяки тому, що земна літосфера складається з динамічних блоків, теплоперенос протягом мільярдів років носить стабільний характер, і на планеті зберігаються умови, придатні для розвитку складних форм життя. Тектоніка плит бере участь і в підтримці важливих для існування біосфери глобальних геохімічних циклів (наприклад, вуглецевого).
Переміщення плит, захоплюваних мантійними конвекційними потоками, відбувається за рахунок в'язкого тертя, а для утворення самих плит, на які висхідні потоки чинили б достатній тиск, необхідна розвинена тверда верхня частина літосфери - кора. В іншому випадку рух мантійних потоків призведе лише до упругих деформацій тонкого поверхневого шару, і розчленування літосфери на плити не відбудеться. Саме так, мабуть, виглядала найдавніша Земля: її високотемп... мантія не мала потрібної в'язкості, а кора була занадто тонкою.
Збільшення потужності кори відбувалося нерівномірно і почалося, найімовірніше, в ранньому археї з формування перших мікроконтинентів. Датування порід зеленокам'яних поясів Барбертон у Південній Африці, Пілбара в Західній Австралії, Ісуа в Гренландії, Нуввуагіттук у Квебеку та інших показують, що протоконтинентальні масиви - кратони - існували вже близько 3,7-3,6 мільярда років тому. Однак чи супроводжувалася їх освіта і розвиток горизонтальними тектонічними рухами, залишалося неясним. Палеомагнітні дані, отримані для метаморфізованих базальтів зі східної частини кратона Пілбара, свідчать, що цей стародавній масив від 3,35 і 3,18 мільярда років тому, тобто протягом близько 170 мільйонів років, відчував широтний дрейф зі швидкістю не менше 2,5 сантиметрів на рік. Отже, в цей час (середина архею) принаймні деякі ділянки літосфери вже були включені в стійкий горизонтальний тектонічний процес.
Оцінити час його початку можна не тільки з вивчення залишкової спробованості порід, а й за непрямими геохімічними даними, що містяться в найбільш стійкому компоненті породи - кристалах циркону. Ці дані дозволяють реконструювати умови кристалізації і таким чином судити про геодинамічну обстановку, в якій вона протікала. Так, аналіз вмісту ізотопу гафнію 176Hf в цирконах з порід кратону Слейв в Канаді показав, що вони утворилися після відносно швидкого плавлення кори в субдукційній зоні, а не в результаті тривалого метаморфізму в товщі стародавнього протоконтиненту. Вік цих цирконів оцінюється в 3,8-3,6 мільярда років. Але наскільки типовим був цей процес для раннього архея, вчені відповісти не змогли.
Американські геохіміки під керівництвом Майкла Акерсона (M.R. Ackerson) зі Смітсонівського інституту досліджували циркони з метаморфічного поясу Джек Гіллс, що належить до кратона Ілгарн у Західній Австралії. З 15 зразків породи вчені витягли понад 3500 цирконів, але лише близько 200 зерен виявилися придатними для аналізу; на інших при дослідженні зональності були виявлені ознаки вторинних змін. Вік кристалів, визначений уран-свинцевим методом, становив від 4,3 до 3,0 мільярда років.
Вчених цікавила зміна вмісту алюмінію, який надходив у магматичний розплав - джерело цирконів - у складі глинозему Al2O3 з осадових відкладень. Концентрацію алюмінію в зразках визначали за допомогою мас-спектрометричного аналізу плазми, отриманої зі зразків кристалів методом лазерної абляції.
Присутність значної кількості алюмінію (більше чотирьох масових часток на мільйон) в цирконах може служити показником того, що кристалізація протікала в особливих умовах - на порівняно великій глибині (при тисках 0,7 гігапаскаля і вище), в низькотемпceній (700-800 градусів) водонасиченій магмі. Про її походження вчені судили за зразками ранньопалеозойських цирконів двох типів зі складчастого поясу Лаклан на сході Австралії. Кристали I-типу містять мало алюмінію і мають магматичне походження; S-тип відрізняється високими концентраціями алюмінію і утворюється в результаті метаморфізації осадових порід на великих глибинах.
Акерсон і його колеги виявили, що близько 80 відсотків вибірки склали циркони, близькі за вмістом алюмінію до I-типу. Мабуть, вони утворилися аналогічним шляхом - при кристалізації з низькоглинноземистої магми, яка впроваджувалася в тонку молоду кору з мантії. У цю групу потрапили практично всі циркони старше 3,8 мільярда років і значна частка більш молодих зерен. Однак приблизно 10 відсотків цирконів відрізняє висока концентрація алюмінію, і ці кристали виявилися молодшими 3,6 мільярда років. Автори дослідження пов'язують їх походження з метаморфізмом і частковим плавленням порід розвиненої кори над стародавньою зоною субдукції.
Отримані американськими вченими дані за вмістом алюмінію в кристалах з Джек Хіллс приурочені до тієї ж дати, що і результати раніше проведеного аналізу канадських цирконів на гафній, - близько 3,6 мільярда років тому. Вони показують, що в цей час на Землі протікали важливі зміни: у різних регіонах планети складався новий тектонічний режим, пов'язаний з горизонтальним переміщенням відокремлених плит. На цьому перехідному етапі перші ознаки тектоніки плит проявлялися локально там, де йшло нарощування кори протоконтинентів. З ускладненням будови літосфери в процес залучалися все більш великі області, і близько трьох мільярдів років тому тектоніка плит набула глобального характеру.
Раніше вчені з'ясували, що в утворенні стародавньої континентальної кори велику роль зіграла гідродинамічна нестійкість, склали атлас потонулих літосферних плит і побудували глобальну тектонічну модель, що охоплює останній мільярд років.