Изменчивость изотопного состава глубоководных кернов говорит о неоднородности верхней мантии

Современные геодинамические модели учитывают множество разнообразных параметров. И чем более точная и достоверная информация о строении земных недр будет у ученых, тем более надежные прогнозы можно будет получать с помощью таких моделей. И хотя в общих чертах понятно, что там у нас под ногами, до полной ясности еще очень далеко: например, до сих пор нет однозначного представления о строении даже верхней мантии. Ранее ученые исходили из того, что она более или менее однородна, так как базальтовая лава, которая извергается на дне океана, химически практически (за исключением так называемых горячих точек) одинакова по всей планете. Однако новое исследование, основанное на изучении изотопов стронция и неодима в минералах магматических пород мантийного происхождения, образующихся в зонах срединно-океанических хребтов, показало, что эти породы формировались из весьма неоднородной мантийной магмы.

В центральных частях всех океанов есть линейные поднятия, возвышающиеся над окружающими океанскими равнинами на 2–3 км, — срединно-океанические хребты(СОХ). С тектонической точки зрения они представляют собой рифтовые зоны, в которых раздвигаются литосферные плиты (происходит спрединг) и идет образование новой океанической коры за счет поднимающегося к поверхности в восходящих потоках конвективных ячеек мантийного материала (рис. 1).

Мантийный материал разного состава и с разных глубин в процессе подъема испытывает декомпрессионное плавление, и на глубине 4–18 км под срединно-океаническими хребтами формируются магматические очаги (магматические камеры). В них расплавы мантийного материала смешиваются, а на поверхность образующаяся в них магма изливается в виде базальтов (mid-ocean ridge basalt, MORB). Не достигшие поверхности расплавы застывают на глубине, образуя комплекс плутонических пород габброидного типа — так называемый третий слой в разрезе океанической коры (первый — это верхний осадочный слой, второй — базальтовый), сложенный породами основного и ультраосновного состава (габбро, габбро-норитами, перидотитами и др.).

Срединно-океанические хребты — самые крупные и протяженные элементы современного рельефа Земли. Общая длина глобальной системы СОХ составляет около 80 тыс. км. И на всем протяжении их окружает непрерывная зона высокой тектонической и магматической активности.

Изучение магматизма зон СОХ — одна из интереснейших проблем современной геохимии. Долгое время именно базальты, изливающиеся на дно океана в зонах СОХ, являлись главным источником информации о мантийном материале, из которого формируется новая земная кора. Геохимические исследования показывали, что в формировании базальтов СОХ основную роль играют выплавки из верхней, деплетированной (обедненной рядом химических элементов: K, Rb, Ba, Nb, La) мантии, из которых формируются так называемые базальты N-типа, обладающие удивительным сходством своего химического и минерального состава по всей планете.

Лишь в отдельных местах (прежде всего там, где срединно-океанические хребты пересекают так называемые горячие точки, к которым, например, относятся Азорские острова, Исландия, остров Ян-Майен) присутствуют базальты и другого геохимического типа — Е-типа, в образовании которых принимал участие глубинный мантийный (плюмовый) материал.

Чрезвычайное сходство химического и минерального составов океанических базальтов N-типа из различных зон СОХ долгое время считалось доказательством того, что верхняя мантия в зонах СОХ является однородной и хорошо перемешанной (гомогенной). Результаты более детального изучения химического состава пород на изотопном уровне, собранные по результатам многочисленных исследований в Петрологической базе данных океанического дна PetDB, позволили говорить о наличии небольшой латеральной (меняющейся вдоль СОХ) изменчивости мантийного магматизма зон СОХ. Наиболее информативными в этом смысле оказались изотопные отношения стронция ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr и неодима ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd, на основе анализа которых можно судить не только об однородности мантийного источника, но и глубине его образования и степени деплетированности.

Однако в случае базальтовой лавы мы имеем дело уже с переплавленным и в большой степени гомогенезированным в расположенном на уровне коры очаге плавления материалом, а не с первичной мантийной магмой. Более информативными с точки зрения состава первичной мантийной магмы являются подстилающие базальты плутонические горные породы, сформировавшиеся на глубинах более 3–4 км от поверхности. Образцы этих пород стали доступны в результате проведения Международного проекта бурения в океане IODP (International Ocean Discovery Program).

Группа ученых во главе с Сарой Ламбарт (Sarah Lambart) из Университета Юты (США) изучила образцы плутонических пород из скважины U1309D проекта IODP, пробуренной в северной части Срединно-Атлантического хребта (30° С. Ш.) в районе так называемого массива Атлантис (Atlantis Massif), где на поверхность выходят основные и ультраосновные плутонические породы океанического основания (третьего слоя океанической коры). Результаты опубликованы в недавнем выпуске журнале Nature Geoscience.

Ученые изучили 1415 м керна и проанализировали изотопные отношения стронция и неодима не только в валовых пробах пород, но и (что явилось новаторским подходом) провели детальные анализы так называемых кумулятивных минералов (cumulate minerals) — самых первых минералов, кристаллизующихся из расплава. По мнению авторов кумулятивные минералы, которые образовались еще до завершения процесса полной гомогенизации расплава, в наибольшей степени отражают его первичную неоднородность.

Всего было изучено 74 образца пород, среди которых 28 образцов представлены оливиновыми габбро, 8 — троктолитами, 7 — оливиновыми троктолитами, 11 — габбро, 4 — окисленными габбро, 2 — габбро-норитами, 6 — микрогаббро и 7 — диабазами. Главными кумулятивными минералами в изученных породах являются зональные кристаллы клинопироксенов и плагиоклазов.

Исследования проводились методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Максимальная детализация метода позволила раздельно проанализировать изотопный состав краевых зон кумулятивных минералов и их центральных (ядерных) частей. Именно состав ядерных зон, с которых начиналась кристаллизация самых ранних минералов пород плутонического комплекса, и рассматривался авторами в качестве индикатора химического состава первичного расплава.

В результате выяснилось, что изменчивость изотопного состава стронция и неодима в ядерных зонах кумулятивных минералов в семь раз выше, чем в базальтах из той же зоны Срединно-Атлантического хребта (рис. 2).

Изменчивость эта проявляется буквально на сантиметровом уровне — изотопные отношения могут существенно меняться в кумулятивных минералах, расположенных друг от друга на расстоянии нескольких сантиметров. При этом средние значения изотопных показателей в кумулятивных минералах примерно совпадают с аналогичными показателями в валовых пробах вмещающих их плутонических пород и в базальтах из того же региона.

По мнению авторов это может объясняться тем, что в магматические камеры, формирующиеся под срединно-океаническими хребтами, мантийная магма поступала отдельными порциями разного состава и с разных глубин (рис. 3): порции перидотитового расплава, образовавшегося при плавлении деплетированной верхней мантии, смешивались в них с порциями расплава, поступавшего с больших глубин, где в составе помимо собственно мантийного материала принимал участие переработанный (переплавленный) материал погрузившейся в зонах субдукции океанической коры (граница плавления корового материала находится ниже, чем граница плавления чисто мантийного материала).

В соответствии с предложенной авторами статьи гипотезой, различные порции расплавов поднимались по выделенным каналам и не смешивались между собой до попадания в магматическую камеру. При этом самые ранние (кумулятивные) минералы начали кристаллизоваться в расплавах еще до смешивания, поэтому в их ядрах сохранились изотопные подписи первичных расплавов, а основная масса пород кристаллизовалась уже из смешанного расплава. А однородный химический состав базальтов СОХ (базальтов MORB, в соответствии с международной терминологией) из различных частей планеты нельзя считать доказательством гомогенности верхней мантии, так как он является следствием смешения гетерогенных порций мантийных расплавов в магматических камерах непосредственно под срединно-океаническими хребтами.

Источник: Sarah Lambart, Janne M. Koornneef, Marc-Alban Millet, Gareth R. Davies, Matthew Cook, C. Johan Lissenberg. Highly heterogeneous depleted mantle recorded in the lower oceanic crust // Nature Geoscience. 2019. DOI: 10.1038/s41561-019-0368-9.

Владислав Стрекопытов