Изотопы мантийного селена указывают на то, что вода попала на Землю в ходе поздней тяжелой бомбардировки
Разработанный европейскими учеными новый аналитический метод позволил с высокой точностью определить изотопные отношения селена в мантийных породах. Полученные результаты не только подтверждают встречающую определенные возражений в научной среде гипотезу «позднего покрытия», то есть доставки на Землю дополнительного вещества в период поздней тяжелой бомбардировки, но и свидетельствуют о том, что большая часть воды и летучих соединений, из которых сформировались атмосфера и гидросфера, были принесены на Землю в результате этого процесса, а сам метеоритный материал происходил не из главного пояса астероидов, как думали раньше, а из внешних областей Солнечной системы.
В первые же несколько десятков миллионов лет после образования Земли как планеты (что произошло примерно 4,6 млрд лет назад) началась первичная дифференциация ее вещества с разделением на две оболочки, ядро и мантию, которая в целом завершилась 4 млрд лет назад. В ядре, расположенном в центре Земли, собрались все тяжелые металлические сидерофильные (обладающие сродством к железу) элементы — золото, платина, никель, кобальт, молибден и другие. Если бы после этого к веществу Земли ничего не добавлялось, то ни в земной коре, ни в мантии сидерофильных элементов бы не было. Но они, хоть и в очень небольших количествах, все-таки присутствуют во внешних оболочках планеты. А значит, имел место дополнительный привнос вещества. На этих рассуждениях основывается гипотеза поздней аккреции или «позднего покрытия» (Late Veneer hypothesis, см., например, A. Morbidelli, B. J. Wood, 2015. Late Accretion and the Late Veneer), произошедшего уже после обособления ядра (рис. 1).
Предполагается, что этот привнос был связан с периодом поздней тяжелой бомбардировки (4,1–3,8 млрд лет назад), когда на небесные тела внутренней области Солнечной системы (Землю, Луну, Меркурий, Венеру и Марс) обрушился поток метеоритного материала. Помимо сидерофильных элементов этот поток мог нести огромные количества углерода и летучих соединений (в том числе воды), необходимых для формирования на Земле океанов и атмосферы, и, как следствие, для возникновения жизни. В пользу гипотезы «позднего покрытия» говорит и тот факт, что в целом содержание сидерофильных элементов (S, Se, Te) в хондритах (метеоритах самого распространенного типа) близко к их содержанию в мантии Земли.
Недавно в ходе изучения изотопов еще одного сидерофильного элемента — селена — в верхнемантийных перидотитах, проведенного группой ученых из Германии и Франции под руководством геохимика Марии Изабель Варас-Реус (María Isabel Varas-Reus) из Тюбингенского университета в Германии, было получено новое подтверждение гипотезы «позднего покрытия». Результаты исследования опубликованы в недавнем выпуске журнала Nature Geoscience.
Авторы представили высокоточные данные по изотопным отношениям селена в перидотитах, полученные специально разработанным методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Прямое масс-спектрометрическое определение содержания изотопов селена представляло до последнего времени весьма сложную задачу вследствие проявления в зоне селена масс-спектральных интерференций (то есть, если не вдаваться в подробности, наложение спектрометрических сигналов друг на друга). К тому же при использовании этого метода пробы должны быть растворены при высоких температурах, а селен — летучее вещество. Чтобы корректно выполнить данные измерения, учеными в рамках полученного от Европейского исследовательского совета (ERC) гранта была разработана особая модификация метода — мультиколлекторная масс-спектрометрия с ионизацией вещества в индуктивно-связанной плазме (MC-ICP-MS) с гидридной генерацией паров и добавлением двойного трассера (эталонной пробы) изотопов Se к анализируемым образцам (см. T. Kurzawa et al., 2017. A method for Se isotope analysis of low ng-level geological samples via double spike and hydride generation MC-ICP-MS). Использование гидридной генерации паров позволяет устранить масс-спектральные интерференции за счет усиления сигналов Se и подавления многоатомных помех, а добавленный опорный трассер 82Se/76Se дает возможность точнее измерить изотопные отношения элемента.
Авторы исходили из того, что поскольку селен — одновременно сидерофильный (а значит привнесенный в процессе «позднего покрытия») и летучего элемент, изучение содержания его изотопов в мантийных породах может дать ответ на вопрос о том, насколько велика роль поздней метеоритной бомбардировки в появлении на Земле летучих веществ (см. Volatiles), в том числе воды.
В качестве исходных образцов для исследования ученые использовали мантийные перидотиты широкого возрастного диапазона (от среднепротерозойских до позднепалеозойских) из Центральной Европы. Результаты изучения показали, что на изотопный состав селена перидотитов не влияют петрологические процессы, такие как позднее деплетирование мантийных расплавов (обеднение электроположительными элементами с более тяжелыми ионами), происходившее после первичной дифференциации вещества Земли, и реакции расплава с окружающими породами. То есть отношение 82Se/76Se в мантии сохраняется первичным со времен поздней аккреции и примерно соответствует отношению этих изотопов в углистых хондритах класса CI (−0,03 ± 0,07‰), происходящих не из главного пояса астероидов, а из внешней области Солнечной системы (находящейся за пределами орбиты Юпитера). И это тоже очень важный вывод, потому что раньше считалось, что в поздней тяжелой бомбардировке участвовал метеоритный материал из главного пояса астероидов (рис. 2).
Рис. 2. Изотопные отношения селена в земных породах и метеоритах. Зеленые кружочки — образцы постархейских мантийных перидотитов, участвовавшие в исследовании; красные, голубые и фиолетовые квадратики — образцы хондритов (два нижних — углистые хондриты класса CI; все изотопные отношения в метеоритах приведены по данным предыдущего исследования: J. Labidi et al., 2018. The selenium isotopic variations in chondrites are mass-dependent; Implications for sulfide formation in the early solar system); желтый треугольник — усредненное значение для первичной силикатной мантии Земли (до «позднего покрытия»); серый шестиугольник — усредненное значение для базальтов срединно-океанических хребтов (MORB), принятых в качестве эталона деплетированной верхней мантии; оранжевый ромб — усредненное значение для прочих базальтов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience
Соответственно, меняется представление и об общей массе метеоритного материала, участвовавшего в поздней тяжелой бомбардировке — она была меньше, чем представлялось ранее, так как хондриты класса CI обладают наименьшей плотностью и наибольшим содержанием летучих среди всех углистых хондритов.
Основываясь на результатах исследования можно с определенной долей уверенности говорить о том, что не только сидерофильные элементы, но и летучие компоненты были занесены на Землю в процессе поздней тяжелой бомбардировки, а поток метеоритного вещества с окраин Солнечной системы был важным и необходимым этапом возникновения жизни на Земле. По расчетам авторов, до 60% воды, находящейся сегодня на Земле, может быть связано с этим источником. Метеориты принесли не только воду, но и другие летучие вещества, которые способствовали формированию необходимой для развития жизни атмосферы.
Источник: María Isabel Varas-Reus, Stephan König, Aierken Yierpan, Jean-Pierre Lorand, Ronny Schoenberg. Selenium isotopes as tracers of a late volatile contribution to Earth from the outer Solar System // Nature Geoscience. 2019. DOI: 10.1038/s41561-019-0414-7.
Владислав Стрекопытов
Рис. 1. Основные этапы формирования и ранней эволюции Земли: 1 — ранняя аккреция и образование Земли как планеты; 2 — гигантское столкновение, которое привело к образованию Луны; 3 — завершение разделения вещества Земли на ядро и мантию; 4 — период поздней тяжелой бомбардировки (и «позднее покрытие»); 5 — начало тектоники плит, формирование первых суперконтинентов, выделение внутреннего ядра. Gy — возраст в млрд лет. Рисунок с сайта core-mantle.jp (с дополнениями)