Вскоре после образования Земли, когда недра еще представляли собой магматический океан, на ее поверхности возникла твердая кора. Эта хрупкая оболочка существовал недолго и была утрачена из-за бомбардировки астероидами. Ее обломки сохранились в древнейших кратонах континентов. Об эволюции протокоры известно немного, а ее состав вызывает споры. В новой работе ученые смоделировали процессы, которые привели к появлению первичной континентальной коры, опираясь на анализ несовместимых рассеянных элементов.
Считается доказанным, что планеты земной группы прошли стадию магматического океана. Источником тепла для его образования послужили продолжающаяся аккреция вещества и астероидные удары. Из кипящей магмы при температуре примерно 1000 градусов Цельсия стали выпадать железные капли. Они тонули и формировали ядро. А более легкие силикатные минералы поднимались наверх и затвердевали, образуя первичную земную кору. На Земле эти процессы шли в первую сотню миллионов лет ее существования — с 4,5 до 4,4 миллиарда лет назад.
Согласно общепринятой гипотезе, первичная кора была базальтовой, поскольку выплавлялась из вещества, близкого к хондритовому. Это известно из анализа метеоритов.
Гораздо меньше внимания уделяли литофильным, то есть имеющим сродство к кремнию, рассеянным элементам протокоры. А ведь они указывают на материнское вещество, из которого образовалась современная континентальная кора. Заняться этой проблемой решили ученые из Австралии, Великобритании и Франции. Их статья вышла в журнале Nature.
В отличие от традиционных подходов, в новом исследовании смоделирован процесс выплавления протокоры из мантии после того, как сформировалось ядро. Авторы исходили из того, что в процессе затвердевания магматического океана и роста ядра в нем сложились восстановительные условия. Произошло разделение расплава на железную фракцию, остаточный ультраосновной расплав превратился в мантию, а небольшая фракция легкого силикатного состава всплыла, обогащаясь по пути несовместимыми литофильными элементами.
Новая модель помогла объяснить, как возникли аномалии неодима-142. Это редкоземельный элемент из группы лантаноидов, образовавшийся из изотопа самария-146, период полураспада которого — 103 миллиона лет. То есть он был активен только в самом начале образования планеты. Система 146Sm-142Nd очень важна для изучения первого этапа планет земной группы, почти полностью стертого из геологической летописи.
В древних горных породах на Земле нашли как отрицательные, так и положительные аномалии 142Nd, что говорит о неоднородности протокоры. Для объяснения этого привлекают разные гипотезы, в частности тектонику плит. Новая модель показала, что в этом нет необходимости: протокора обладала нужными свойствами в любом случае — с субдукций или без нее. Причем первичная континентальная кора, в противовес базальтовой обогащенная кремнием, должна была существовать в первые сотни миллионов лет, что ранее не допускалось. Она могла стать исходным материалом для горных пород архея, дошедших до нашего времени.
По мнению авторов статьи, их модель помогла решить несколько давних проблем, включая «следы субдукции» в цирконах формации Джек-Хиллз в Австралии возрастом 4,3 миллиарда лет. Для этого надо допустить переработку первичной коры и включение ее материала в последующий цикл выплавки новой земной коры.