Группа исследователей под руководством Чжэн-Ю Луна из Парижского института физики Земли (IPGP) выяснила, что поверхностный материал Земли проникал в глубинные слои планеты не менее 3,6 миллиарда лет назад — значительно раньше, чем считалось прежде. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Ключом к открытию стали коматииты — древние вулканические породы, извергавшиеся при температуре выше 1600 °C, что превосходит возможности любого современного вулкана. Почти все они относятся к архею — ранней эре Земли от 4 до 2,5 миллиарда лет назад. Команда Луна проанализировала 50 образцов коматиита из 10 мест по всему миру: самые древние происходят из формации возрастом 3,6 миллиарда лет в Южной Африке, самые молодые — из пород возрастом 89 миллионов лет.
Разгадка кроется в изотопах калия. Этот элемент существует в 2 формах, различающихся по весу, и баланс между ними меняется в зависимости от того, через что прошёл материал, особенно при контакте с водой. В образцах с 3 участков оказалось значительно больше тяжёлого калия, чем в обычных мантийных породах, — даже больше, чем в морской воде.
Исследователи последовательно исключили альтернативные объяснения. Выветривание и химическое разложение, напротив, снижают содержание тяжёлого калия. Загрязнение континентальной корой давало аналогичный эффект. Столкновение, породившее Луну, также не могло переместить калий в достаточной мере. Версия о том, что тяжёлый калий — пережиток самых ранних дней планеты, была отвергнута: в породах отсутствуют сопутствующие следы той эпохи — вольфрам и неодим.
В итоге данные указали на субдукцию — погружение океанического дна в мантию. По мере нагревания погружающейся плиты она выделяет горячие жидкости, которые уносят тяжёлый калий вглубь, насыщая им мантийный материал. Согласно результатам моделирования, в наиболее насыщенных водой районах этот процесс происходит на глубине сотён километров — вблизи переходной зоны мантии на глубине от 400 до 660 километров.
3 наиболее примечательных участка были ранее известны как аномально «влажные» — вода была обнаружена в кристаллах их пород. Независимое исследование уже предполагало, что некоторые из этих лав образовались из пропитанной морской водой коры, втянутой в глубокие слои. Данные по калию стали вторым самостоятельным доказательством этой гипотезы.
Полученные результаты не доказывают существования современной тектоники плит в архее, однако свидетельствуют: молодая Земля уже тогда эффективно втягивала поверхностные воды в свои глубины. Это согласуется с другими данными, в том числе с анализом, указывающим на дрейф континентов с современной скоростью уже 3,2 миллиарда лет назад. Тяжёлый калий в древней лаве хорошо сохраняется, поэтому тот же метод теперь можно применять для исследования других древних пород, чтобы установить, когда именно поверхность впервые достигла глубин Земли.
