Сульфидные включения в алмазах свидетельствуют о том, что субдукция началась еще в архее

Согласно современным представлениям о строении земной коры и движении ее блоков, тектоническая активность на поверхности Земли определяется в первую очередь действием двух основных процессов: раздвижением в зонах срединно-океанических хребтов и континентальных рифтов (спрединг) и компенсирующим это раздвижение погружением литосферных плит в зонах субдукции. Тектоника плит — важнейший механизм, определяющий не только сегодняшний облик Земли, но и его эволюцию в геологическом прошлом. Один из главных вопросов наук о Земле: когда заработал этот механизм и начался процесс субдукции? Известно, что первые блоки континентальной коры возникли на Земле в архее (4,0–2,5 млрд лет назад) и что тогда же начались их горизонтальные перемещения. Но признаки субдукции при этом достоверно фиксировались только с раннего протерозоя (то есть 2,5 млрд лет назад и позже). Недавнее исследование изотопного состава серы в сульфидных включениях алмазов показало, что атмосферная сера начала попадать в мантию около 3 млрд лет назад. Это указывает на то, что процессы субдукции шли еще в среднем архее.

Континентальная кора появилась на самых ранних стадиях формирования Земли. О том, как именно это произошло, ученые спорят до сих пор (см., например, новость Древняя континентальная кора могла образоваться в результате метеоритной бомбардировки, «Элементы», 18.02.2019). Фрагменты древнейшей коры сегодня сохранились только на континентальных платформах (основные — Северо-Американская, Восточно-Европейская, Сибирская, Сино-Корейская, Южно-Американская, Африканская, Индостанская, Австралийская, Антарктическая), да и то, только в их центральных и наиболее древних частях (ядрах) — кратонах, представляющих собой как бы ядра протоматериков. Примеры крупных кратонов, сформировавшихся в архее: Северо-Китайский кратон; Украинский щит на юге Восточно-Европейской платформы и Балтийский щит на ее севере; Бразильский щит; Западно-Африканский кратон; кратон Каапвааль (Kaapvaal craton) на юге Африки; кратон Слейв (Slave craton) и другие кратоны Северной Америки, объединенные в Канадско-Гренландский щит; кратоны Пилбара (Pilbara Craton) и Йилгарн (Yilgarn Craton) в Западной Австралии; Анабарский и Алданский щиты Сибирской платформы.

Мощность литосферы — внешней твердой оболочки Земли — разная в разных точках земной поверхности. Она минимальна под океанами (5–100 км) и максимальна под кратонами, где достигает 150–200 км. Эти самые глубокие области литосферы, так называемые «корни кратонов», в течение длительного геологического времени обеспечивают тектоническую стабильность древних континентальных блоков и их гидростатическое равновесие с подстилающей мантией. Относительно механизма формирования глубинных корневых зон кратонов есть несколько гипотез, ни одна из которых на сегодняшний день не является общепринятой.

Некоторые ученые считают, что корни кратонов образовались в процессе субдукции, другие связывают их появление с вертикальным переносом вещества мантийными плюмами или с процессами переплавления оснований океанических платформ. Этот вопрос мог бы проясниться, если бы ученые имели в своем распоряжении образцы из корневых зон. Изучив геохимические особенности глубинного вещества, можно было бы сделать вывод о том, участвовал ли в образовании корней кратонов поверхностный материал или нет.

На такие глубины люди забраться не могут, но, как ни странно, возможность изучать поднятый оттуда материал все равно есть. Речь об алмазах, которые образуются на глубинах 150–400 км в этих самых корневых зонах под древними кратонами, а затем выносятся на поверхность кимберлитовой магмой, представляя, по сути дела, доставленные с глубин в сотни километров «пробы» вещества из зоны их образования. Дело в том, что некоторые из кристаллов алмазов содержат включения минералов, захваченные ими в процессе роста. И если такие кристаллы не представляют особой ценности с ювелирной точки зрения, то для исследователей глубин Земли эти образцы наиболее интересны, так как именно включения, а не сами алмазы содержат информацию о глубинном веществе. Кроме того, по минеральным включениям можно определить возраст самих алмазов.

Группа североамериканских ученых во главе с Карен Смит (Karen V. Smit) из Американского геммологического института в Нью-Йорке изучила состав изотопов серы в сульфидных включениях в алмазах из района Зимми (Zimmi) в Сьерра-Леоне, известного своими уникальными алмазами желтого цвета. Чтобы получить доступ к включениям и изучить тонкости их химического состава, ученые резали кристаллы на тонкие пластины (рис. 2) с помощью лазерной резки. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Исследование было сосредоточено именно на сульфидных включениях по следующей причине. Природная сера имеет четыре стабильных изотопа: ³²S, ³³S, ³⁴S и ³⁶S. В архейское время (4–2,5 млрд лет назад), когда Землю окружала бескислородная атмосфера, на поверхности планеты действовала одна схема изотопного фракционирования серы (так называемое масс-независимое фракционирование, см. mass-independent fractionation), а с начала протерозоя (2,5 млрд лет назад), после Великого кислородного события, — другая (масс-зависимое фракционирование). Подробнее об этих схемах изотопного фракционировании серы можно прочитать в новости Древнейшие бактерии архея не были сульфатредукторами («Элементы», 28.09.2012).

До Великого кислородного события соединения серы (главным образом SO₂ и H₂S), поступавшие в атмосферу Земли из извергавшихся вулканов, разлагались в стратосфере под действием солнечного ультрафиолета в ходе так называемого процесса фотодиссоциации. После оксигенации (насыщения кислородом) атмосферы в раннем протерозое и образования озонового слоя реакции фотодиссоциации соединений серы в атмосфере прекратились. Поэтому изотопные отношения серы, указывающие на масс-независимое фракционирование, являются своего рода геохронологическими индикаторами допротерозойского времени.

Авторы исследования изучали пластины с вскрытыми сульфидными включениями методом масс-спектрометрии вторичных ионов на приборе Cameca IMS 1280. Образцы бомбардировались пучком ионов цезия для создания небольших углублений в сульфидах. Вещество включений при этом испарялось и прогонялось через прибор, где в нем замерялось содержание всех четырех изотопов серы.

Возраст включений определялся с помощью радиоизотопного датирования рений-осмиевым методом (rhenium–osmium dating, рений и осмий присутствуют в виде примесей в сульфидных минералах). Изотопы осмия анализировались на масс-спектрометре с термальной ионизациией (TIMS — thermal ionization mass spectrometry), а изотопы рения — с помощью метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой.

Возраст всех изученных алмазов составил по результатам анализов 650 млн лет, а вот значения для изотопных отношений серы во включениях разделились на две группы. Значения одной из них соответствуют схеме масс-независимого фракционирования, а другие — масс-зависимого. По мнению авторов, материал с изотопными сигнатурами масс-независимого фракционирования мог быть доставлен к корням кратонов с поверхности только в процессе субдукции и только в допротерозойское время. А значит в это время на окраине Западно-Африканского кратона уже заработал механизм тектоники плит. Второй эпизод субдукции был связан с активизацией окраины кратона в неопротерозое (700–550 млн лет назад). Именно с этим этапом было связано собственно образование алмазов. Вероятно, что и углерод был доставлен в зону образования алмазов во время второго эпизода субдукции в составе погружающейся океанической плиты.

Для более точного понимания возможного времени первого эпизода субдукции, авторы включили в свои построения данные по алмазам месторождений Джваненг и Орапа в Ботсване (кратон Каапвааль), имеющим возраст около 2,9 млрд лет, а также по канадским алмазам кратона Слейв возрастом около 3,5 млрд лет. Оказалось, что последние не содержат изотопных сигнатур, подтверждающих присутствие в корневой зоне кратона, где происходило формирование алмазов, масс-независимо фракционированной серы, а в алмазах из Ботсваны такие признаки есть.

Таким образом, начиная с мезоархея глубинные корни Западно-Африканского кратона нарастали главным образом за счет поступающего в нижние горизонты литосферы в процессе субдукции корового материала (рис. 3, В). А корневые части более древнего кратона Слейв формировались 3,5 млрд лет назад еще без участия поверхностного материала (рис. 3, А).

Отсюда авторы делают вывод о том, что примерно 3 млрд лет назад, в мезоархее, на планете начал работать механизм тектоники плит, а погружение субдуцирующих океанических плит под континенты стало главным фактором нарастания мощности континентальной коры снизу. До этого рост «корней» континентов, вероятно, происходил в основном за счет подъема мантийного вещества (мантийного апвеллинга).

Источник: Karen V. Smit, Steven B. Shirey, Erik H. Hauri, Richard A. Stern. Sulfur isotopes in diamonds reveal differences in continent construction // Science. 2019. V. 364. I. 6438. P. 383–385. DOI: 10.1126/science.aaw9548.

Владислав Стрекопытов