Измерив изотопный состав титана в метеоритах из группы хондритов и в образцах основных и ультраосновных земных пород различного возраста, геохимики обнаружили отрицательный сдвиг в соотношении изотопов, происшедший в период между 3,5 и 2,7 миллиарда лет назад.
Исследователи связали его с наступлением эпохи усиленного роста континентальной коры, вызвавшего обеднение верхней мантии литофильными элементами. Сравнив полученные результаты с изотопным составом титана в современных базальтах, происходящих из мантийных источников разной глубины, ученые предположили, что геодинамический механизм, связанный с тектоникой плит, на раннем этапе обеспечивал конвективный перенос вещества лишь в пределах верхней мантии. Нижняя мантия, сохраняющая состав, близкий к примитивному, включилась в глобальный тектонический режим лишь после 2,7 миллиарда лет назад, сообщает статья в журнале Nature.
По результатам сейсмических исследований ученые различают в мантии Земли два основных слоя ― верхнюю и нижнюю мантии, разделенные переходной зоной на глубине от 410 до 660 километров. Эти границы возникают за счет перехода слагающих мантию минералов в более плотные высокобарические модификации.
В настоящее время благодаря данным сейсмической томографии известно, что через переходную зону происходит перенос вещества: погружающиеся в процессе субдукции слэбы ― фрагменты океанических литосферных плит ― достигают глубин нижней мантии, а подъем вещества может происходить за счет суперплюмов, формирующихся на границе ядра. Однако вопрос о том, как происходил массоперенос на протяжении геологической истории, до сих пор остается слабо изученным. Так, неясно, в какой степени примитивная мантия, соответствующая по составу протопланетному веществу (за вычетом компонентов ядра), на разных глубинах затронута дифференциацией и обеднена литофильными элементами из-за образования коры.
Пролить свет на эволюцию мантии могут изотопные исследования. Поскольку степень фракционирования изотопов того или иного литофильного элемента во многом зависит от геодинамических условий, его изотопные соотношения в породах разного происхождения отличаются. Например, с помощью анализа соотношений изотопов гафния и неодима ученые выяснили, что древнейшие участки континентальной коры в австралийском кратоне Пилбара образовались в основном из примитивной мантии. А изучение различий в изотопных сигнатурах инертных газов показало, что в современной мантии могут сохраняться неоднородности, относящиеся к периоду аккреции Земли из протопланетного вещества.
Выяснить с помощью изотопных данных, как изменялся геодинамический режим на древней Земле, попытались Чжэнбинь Дэн (Zhengbin Deng) из Копенгагенского университета и его коллеги из Великобритании, Дании, Китая, США, Франции и Швейцарии. Для этого ученые с помощью усовершенствованных аналитических методов определили соотношения стабильных изотопов титана 49Ti/47Ti в 31 образце пород архейского и протерозойского возраста (от 3,8 до 2,0 миллиарда лет), в 21 образце современных базальтов океанических островов и в 24 образцах метеоритного вещества из хондритов разных типов. Вещество хондритов служит для моделирования состава примитивной мантии. Сопоставив полученные результаты с полученными ранее данными об изотопном составе титана в современных базальтах срединно-океанических хребтов и в древнейших континентальных породах, исследователи получили картину изменчивости соотношения 49Ti/47Ti.
Выбор титана в качестве маркера геодинамических изменений не случаен. Этот литофильный элемент нерастворим в поверхностных средах и биологически нейтрален, поэтому его изотопный состав невосприимчив к процессам водной эрозии и метаболизма живых организмов. Кроме того, титан демонстрирует заметные различия в степени фракционирования в зависимости от того, насколько дифференцировано вещество в очаге плавления. Так, в кислых магматических резервуарах, образующихся в зонах субдукции или при внедрении в толщу коры мантийного расплава, в кристаллическую фазу поступает материал, обогащенный более тяжелым титаном-49, а в остатке плавления концентрируется титан-47. А вот при образовании очагов плавления ультраосновных пород мантии фракционирования практически не происходит.
Начальной точкой в модели эволюции примитивной мантии послужило соотношение 49Ti/47Ti в хондритах. Средневзвешенное значение его отклонения от лабораторного эталона (δ49Ti) составило +0,053 ± 0,005 промилле. В древнейших ультраосновных вулканических породах положительная аномалия титана-49 лишь чуть-чуть выше: от +0,048 ± 0,005 промилле в 3,8-миллиардолетних гренландских метабазальтах до +0,044 ± 0,009 промилле в южноафриканских коматиитах возрастом 3,48 миллиарда лет. По мнению авторов исследования, их источники были близки по составу примитивной мантии и в очень малой степени деплетированы, то есть обеднены литофильными элементами.
В период между 3,5 и 2,7 миллиарда лет назад в продуктах ультраосновного и основного вулканизма обнаружился заметный отрицательный сдвиг содержания титана-49: величина δ49Ti снизилась почти до современного уровня для максимально деплетированной мантии (+0,001 ± 0,004 промилле). Зато кислые породы ранних континентальных комплексов из формации Исуа (Гренландия), из района реки Акаста (Канада) и из кратона Каапвааль (Южная Африка) оказались обогащены титаном-49. Положительные аномалии в них распределились в пределах от +0,173 ± 0,030 до +0,570 ± 0,030 промилле.
Чжэнбинь Дэн с коллегами предположили, что зарождавшийся в это время новый геодинамический режим, связанный с тектоникой плит, мог поддерживать перенос вещества и переработку древней коры, которая погружалась в локальных зонах субдукции, только в пределах верхней мантии. Расчеты показали, что для обеспечения изотопного сдвига более чем в 0,050 промилле нужно, чтобы в рециклинг коры было вовлечено менее 30 процентов всей массы примитивной мантии. Эта цифра согласуется с массой слоя, лежащего над сейсмической границей на глубине 660 километров. Возможно, связанный с ней фазовый переход препятствовал более глубокому проникновению тонущих слэбов.
В результате этот слой становился все беднее литофильными элементами. Сходным высокодеплетированным составом обладают современные магмы, поступающие из верхней мантии в зоны спрединга в районах срединно-океанических хребтов ― так называемые нормальные базальты типа MORB (Mid-Ocean Ridge Basalts). После рубежа около 2,7 миллиарда лет назад ученые обнаружили некоторое повышение содержания изотопа 49Ti в вулканических породах и связали его с вовлечением нижней мантии, сохранившей примитивный состав, в процесс переноса вещества.
Исследователи обратили внимание на содержание этого изотопа в современных базальтах другого типа ― OIB (Oceanic Island Basalts), ― которые образуются в зонах океанических островов над «горячими точками». Величина δ49Ti в них на 0,030–0,045 промилле выше, чем в нормальных базальтах типа MORB. По-видимому, в обогащение этих пород титаном-49 вносит свой вклад за счет глобальной конвекции глубокий резервуар вещества примитивной мантии, который сохраняется и в настоящее время, но истощает свой запас литофильных элементов.