Неоднородная Земля. Триптих

Автор: Глеб Комаров

Долгое время считалось, что конвективные петли в мантии, несмотря на то, что её материал больше камень чем жидкость, за миллионы и миллиарды лет сделали её более-менее однородной, в том числе за счет петли переноса вещества «зона субдукции – срединно-океанический хребет». Но последние исследования говорят о том, что всё совсем не так однозначно и изотропно.

Рассмотрим пару статей, которые вышли в разные годы и разными путями показывают, что мантия Земли куда как менее однородна, чем может показаться и ставят острые вопросы о внутреннем строении Земли.

Они основаны на анализе изотопных соотношений – мощном и получившем в настоящее время методе анализа прошлого геологических образцов, основанном на выяснении отношения легких и тяжелых изотопов определенного химического элемента, которое, как правило, зависит от каких-то внешних условий.

Это может быть возраст образца, наличие вокруг него живых организмов или что-то ещё. Благодаря этому, после исследования образца на масс-спектрометре можно сделать выводы о том, что происходило с образцом в прошлом. Или в настоящем.

Картина первая. На донышке

Из профильной литературы можно узнать, что химический и изотопный состав Солнечной системы неоднороден. Если внимательно изучить соответствующие таблицы, то можно заметить, что существенные различия существуют не только между Солнцем и остальными телами СС (что предсказуемо), но и между составом коры земли и метеоритов. После набора большой статически по составу различных метеоритов было вычислен изотопный состав «инопланетного» вещества, летающего по СС.

Физической причиной возникших различий является то, что почти все доступные для изучения земные породы были переплавлены, что существенно изменило их состав. И, благодаря этому, обломок железного метеорита всегда можно отличить от земного камня. И не только из-за коры плавления на первом. Кроме того, часть стабильных изотопов являются «конечными остановками» для радиоактивных рядов. То есть изотопные соотношения могут меняться со временем.

В разрезе интересующей нас статьи надо выделить два вещества: вольфрам (изотопы 184W и 182W) и гелий (3He и 4He). Эти изотопы имеют совершенно разные пути происхождения на Земле, что позволяет использовать их как маркеры «земного» и «космического» вещества. Расскажем об этом немного подробнее.

Начнем с вольфрама. Помимо того, что из него делают нити ламп накаливания и танковые снаряды, он примечателен тем, что упомянутые выше изотопы имеют разное происхождение. «Тяжелый» вольфрам 184 существует сам по себе и не возникает при распаде чего-то другого, а «легкий» вольфрам возникает при распаде радиоактивного изотопа гафния 182Hf, который имеет период полураспада в 8,9 млн. лет.

Таким образом, легкий вольфрам возникает на месте гафния и только там, а 184 где был, там и остается. Особого шарма этой ситуации добавляет то, что химико–геологические свойства этих металлов противоположны – вольфрам тяготет к металлическим расплавам (т.е.  – к ядру Земли), а гафний – к силикатным породам (т.е. к внешним оболочкам планеты). Таким образом возможны три варианта: легкого вольфрама много, средне или мало.

Первый вариант возможен для древнейших пород, которые никогда не расплавлялись и легкий вольфрам возник «прямо на месте». Для полностью переплавленных пород на всей планете будет характерен усредненный изотопный состав. А обогащение тяжелым вольфрамом будет демонстрировать, что материал прибыл от границы ядра (где тяжелый вольфрам был сконцентрирован изначально) и никогда не переплавлялся с основными породами мантии – иначе бы его загрязнило легким изотопом. И как можно догадаться – именно обогащенный по тяжелому изотопу вольфрам и нашли исследователи.

Теперь гелий. Тут всё вообще просто: легкий гелий-3 имеет реликтовое происхождение и в недрах Земли возникать не может. Тяжелый гелий-4, наоборот, обильно возникает внутри Земли при радиоактивном распаде и изотопное соотношение гелий-3/гелий-4 на всей Земле – величина стандартная. Но только не в этот раз.

Вводная часть окончена, переходим к сути. Команда исследователей из университета штата Мэриленд исследовали образцы базальта, отобранного в местах, которые считаются горячими точками. Как правило – это вулканические острова, расположенные вдали от зон субдукции. В результате проведенного анализа было показано, что для образцов из Самоа, Гавайев и Исландии характерны такие отношения изотопов, словно из вулкана извергалось протопланетное вещество.

Что же объединяет эти три места на планете? Все они расположены над т.н. зонами сверхнизких скоростей – особыми областями на границы внешнего ядра и мантии, для которых характерны резко пониженные скорости сейсмических волн. Что там находится на самом деле – никто не знает, и какой-либо стройной теории этих объектов пока не существует.

Обнаружив этот эффект, исследователи решили проверить изотопные соотношения для других горячих точек, а также островных дуг, вулканы которых подпитываются утопающими в мантии океаническими плитами и заведомо не должны содержать сюрпризов. Сюрпризов и не нашлось – для всех них изотопный состав оказался идентичным среднепланетарному и никаких значимых аномалий не предъявил.

К сожалению, кроме констатации факта сохранения протопланетного вещества в недрах земли в течении нескольких миллиардов лет без существенного перемешивания с окружающей мантией, а так же отсутствия значимого перемешивания и изотопного обмена между «нормальной» мантии и поднимающегося от границы ядра плюма с аномальным изотопным составом исследователи ничего сообщить не могут. В настоящий момент неизвестен ни состав зон с низкой скоростью сейсмических волн, ни причины их возникновения, ни какие-либо объяснения, почему это вещество все эти миллиарды лет сохранялось в компактном состоянии, а летучий гелий не покинул его пределы за всё это время.

Картина вторая. Пятнистость

Долгое время считалось, что, как минимум, верхняя мантия однородна. Основной причиной для формирования такой точки зрения являлось то, что химический состав базальтов срединно-океанических хребтов практически идентичен на всей Земле.

Океаническая кора трехслойна: сверху её покрывает осадочный чехол, потом идет базальтовый слой, а по астеносфере она скользит на слое ультраосновных пород плутонического происхождения. Именно этот нижний слой ученые решили рассмотреть детально. И снова при помощи изотопного анализа, на этот раз изучив соотношения изотопов стронция и неодима.

Команда исследователей из университета штата Юта очень подробно изучила керны, полученные из массива Атлантис, расположенного в северной части Срединно-Атлантического хребта и провели изотопный анализ множества проб, взятых с сантиметровым шагом по всей длине отобранных кернов.

Анализу подвергался не весь состав породы, а те кристаллы, которые выпадали из расплава первыми. В данных образцах ими оказались клинопироксены и плагиоклазовы. И изменчивость их изотопного состава в семь раз превысила аналогичный параметр для базальтов из расположенной рядом части плиты. И самое главное – изотопная изменчивость наблюдалась на расстоянии в считанные сантиметры, пробы, взятые на этом расстоянии, показывали различный изотопный состав, а усредненные значения по всему объему образцов совпадали с типичными общепланетарными значениями.

Авторы исследования предполагают, что расплав, формирующий океаническую литосферу, попадает в общую магматическую камеру под центральной частью срединно–океанических хребтов из разных регионов мантии и с различных глубин, а перемешивается только в самом конце. Исследованные же кристаллы начинают формироваться ещё до смешения и сохраняют индивидуальный изотопный состав.

Однако сложно представить, как именно такой механизм может работать с сантиметровым пространственным разрешением при масштабах хребтов в тысячи километров. Но, в любом случае – это ещё один штрих к портрету крайне неоднородной мантии.

Картина третья. Адский миксер, который не работает

В первых двух картинах мы видели, что мантия заведомо неоднородна. Причем как в нижней части, так и в верхней, практически от ядра и до самой границы коры. Но при этом в природе есть механизмы, которые создают в мантии перемещения вещества.

Среди них можно выделить два: мантийные плюмы и субдукцию.

Первый механизм мы уже упоминали в первой картине – но сейчас речь идет об обычных плюмах, не связанных с экзотическими структурами на границе с ядром. После всплытия горячий плюм начинает не только прожигать себе путь к дневной поверхности Земли, при этом рождая самые адские вулканические извержения – трапповые провинции, не только раздвигать ослабленную континентальную кору, рождая рифт, но и сам по себе растекаться под поверхностью коры, перемешивая верхнюю мантию. Но до сих пор не ясно, как же устроен сам плюм – мантия то на тех глубинах практически твердая, несмотря на огромную температуру. Ученые до сих пор спорят, является ли переносчиком тепла от ядра к поверхности горячий газ, или там действительно переносится вещество, но ясно только одно – плавится горная порода уже на относительно небольших (в масштабах планеты) глубинах, при понижении внешнего давления. Но даже на этих глубинах остальное вещество, окружающее плюм, может оставаться неоднородным.

Второй механизм – это субдукция. Сейсмический мониторинг показал, что плиты погружаются как минимум до зоны переходной мантии в относительно целом виде. Да, с плиты сносится часть материала, да там есть изменение химического состава и фаз минералов, но в целом – плита погружается как механически цельный объект, который отлично видно на результатах сейсмической томографии. При этом плита раздвигает мантию, создает какие-то потоки в ней, но опять же не в силах перемешать вещество. Всё самое интересное происходит с плитой на первых двухстах километрах погружения – она подпитывает вулканизм. Что с ней происходит дальше, кроме, собственно, погружения – неизвестно.

Плита, однако, является не только мешалкой миксера, но и транспортерной летной. По результатам исследования включений в алмазах стало известно, что в нижней мантии действует некий окислительный агент, который не является кислородом. По одной из версий – это карбонаты из морских осадков, которые доставляются туда «верхом» на плитах. Но даже столь радикальное влияние плит на нижнюю мантию не помогает перемешать вещество в ней.

Подводя итоги

Отсутствие возможности проверить данные моделирование фактическими измерениями приводят к неприятным последствиям.

На примере трех отдельных моментов: сохранности изотопов, соответствующих протопланетному веществу, совершенно нетипичной для классической геологии изменчивости составов горных пород на сантиметровых масштабах и проблем с замыкании петли «погружающаяся плита – срединно-океанический хребет» можно говорить о том, что проблема построения непротиворечивой модели внутреннего строения Земли очень далека от решения.

Можно сколько угодно прессовать минералы в разных сочетания на алмазных наковальнях, анализировать включения в алмазах и решать обратную волновую задачу на суперкомпьютерах, но, если всё это нельзя проверить при помощи анализа геологических материалов, отобранных из моделируемых слоёв – на основе этих модельных данных невозможно построить корректную модель всей планеты.

Не смотря на изображенные во многих книгах и учебниках конвективные петли от уходящей в мантию плиты к срединно-океаническому хребту химический состав магмы в этих хребтах существенно неоднороден. Уходящая вниз плита не обеспечивает передачу импульса, достаточного для размывания очагов древнейших пород на границе с ядром. Плюмы различаются по своему составу, хотя стартуют от однородного ядра (оно жидкое и подвижное, поэтому существенных отличий состава по объему быть не должно) и проходят через твердую мантию.

Путей решения этой проблемы не просматривается. Так, методов, которые смогут обеспечить получение объективных данных о структуре пород на такой глубине с метровым разрешением нет и не предвидится. Добуриться до ядра Земли невозможно технически, никакое развитие техники тут не поможет. Компьютерные модели без верификации – бесполезны.

Однако эта проблема имеет не только чисто научный интерес в стиле «хочу всё знать». Без понимания устройства плюма нельзя трогать всем известный Йеллоустон, земную кору в районе которого уже планируют бурить для отвода тепла и охлаждения магматического очага. Совершенно непросчитываемый без такого понимания риск ослабить кору до состояния начала извержения из-за понижения давления и ударной декомпрессии магмы, видимо, в расчет не берется.

Один раз в истории геологии эпический провал с моделями Земли уже случался: во всех учебниках писали про границу между гранитами и базальтами в континентальной коре (граница Конрада). Вот только её там не нашли – при бурении Кольской сверхглубокой скважины удалось добуриться до необходимой глубины, но граниты в базальты переходить и не подумали. Про границу Конрада пишут в учебниках до сих пор.

Добавить комментарий