Учёные совершили путешествие в прошлое, чтобы раскрыть тайны ранней истории Земли, используя цирконы, крошечные минеральные кристаллы, для изучения тектоники плит миллиарды лет назад. Исследование проливает свет на условия, существовавшие на ранней стадии развития Земли, и раскрывает сложную взаимосвязь между земной корой, ядром и возникновением жизни.

Тектоника плит позволяет теплу из недр Земли выходить на поверхность, формируя континенты и другие геологические объекты, необходимые для зарождения жизни. Соответственно, «существовало предположение, что тектоника плит необходима для возникновения жизни, — говорит Джон Тардуно, преподаватель кафедры наук о Земле и окружающей среде Рочестерского университета. — Однако новое исследование ставит под сомнение это предположение».

Джон Тардуно, профессор геофизики — ведущий автор работы, опубликованной в журнале Nature, в которой рассматривается тектоника плит, возникшая 3,9 млрд лет назад, когда, по мнению учёных, на Земле появились первые следы жизни. Исследователи обнаружили, что подвижных плит в это время не было. Вместо этого, как они обнаружили, Земля выделяла тепло в так называемом «режиме застойной крышки», за счёт теплопроводности коры. Полученные результаты свидетельствуют о том, что хотя тектоника плит является одним из ключевых факторов поддержания жизни на Земле, она не является обязательным условием возникновения жизни на планете земного типа.

«Мы обнаружили отсутствие тектоники плит в момент зарождения жизни, а также в течение сотен миллионов лет после этого, — говорит Тардуно. — Наши данные позволяют предположить, что при поиске экзопланет, на которых может существовать жизнь, планеты необязательно должны обладать тектоникой плит».

Изначально исследователи не ставили перед собой задачу изучения тектоники плит.

«Мы изучали намагниченность цирконов, поскольку занимались изучением магнитного поля Земли», — говорит Тардуно. Цирконы — это крошечные кристаллы, содержащие магнитные частицы, которые могут фиксировать намагниченность Земли в момент их формирования. Датируя цирконы, исследователи могут построить временную шкалу развития магнитного поля Земли.

Сила и направление магнитного поля Земли меняются в зависимости от широты. Например, современное магнитное поле наиболее сильно на полюсах и наиболее слабо на экваторе. Имея информацию о магнитных свойствах цирконов, учёные могут сделать вывод об относительных широтах, на которых они образовались. Иными словами, если эффективность геодинамо — процесса, генерирующего магнитное поле — постоянна, а интенсивность поля меняется в течение определённого периода, то широта, на которой образовались цирконы, также должна меняться.

Однако Тардуно и его сотрудники обнаружили обратное: изученные ими цирконы из Южной Африки показали, что в период примерно с 3,9 до 3,4 млрд лет назад напряжённость магнитного поля не менялась, а значит, не менялись и широты.

Поскольку тектоника плит включает в себя изменение широт различных массивов суши, то, по словам Тардуно, «тектонические движения плит, скорее всего, не происходили в это время, и Земля должна была отводить тепло другим способом». В подтверждение своих выводов исследователи обнаружили те же закономерности в цирконах, изученных ими в Западной Австралии.

«Мы не утверждаем, что цирконы образовались на одном и том же континенте, но похоже, что они образовались на одной и той же неизменной широте, что усиливает наши аргументы в пользу того, что в это время не происходило тектонического движения плит», — говорит Тардуно.

Тектоника застойной крышки: альтернатива тектонике плит

Земля — это тепловой двигатель, и тектоника плит — это, в конечном счёте, выделение тепла из Земли. Но тектоника застойной крышки, в результате которой на поверхности Земли образуются трещины — ещё один способ, позволяющий теплу выходить из недр планеты и формировать континенты и другие геологические объекты.

Тектоника плит подразумевает горизонтальное движение и взаимодействие крупных плит на поверхности Земли. Тардуно и его коллеги сообщают, что в среднем за последние 600 млн лет плиты сместились на расстояние не менее 8500 км в широтном направлении. В отличие от этого, тектоника застойной крышки описывает поведение внешнего слоя Земли как застойной крышки, без активного горизонтального движения плит. Вместо этого внешний слой остаётся на месте, а внутренняя часть планеты остывает. Крупные плюмы расплавленного материала, возникающие в глубинах Земли, могут привести к растрескиванию внешнего слоя. Тектоника застойной крышки не так эффективна, как тектоника плит, для высвобождения тепла из мантии Земли, но всё же она может приводить к образованию континентов.

«Ранняя Земля не была планетой, на поверхности которой всё было мертво, — говорит Тардуно. — На поверхности Земли всё ещё что-то происходило; наши исследования показывают, что эти процессы шли не через тектонику плит. По крайней мере, геохимический круговорот, обеспечиваемый процессами в застойной крышке, был достаточным для создания условий, пригодных для зарождения жизни».

Хотя Земля единственная из известных планет, где существует тектоника плит, на других планетах, таких как Венера, наблюдается тектоника застойной крышки, говорит Тардуно.

«Люди склонны считать, что тектоника застойной крышки не позволит создать планету, пригодную для жизни, из-за того, что происходит на Венере, — говорит он. — Венера — не очень приятное место для жизни: у неё разрушительная углекислотная атмосфера и сернокислотные облака. Это связано с тем, что тепло с поверхности планеты отводится неэффективно».

Без тектоники плит Землю, возможно, постигла бы та же участь. Хотя исследователи предполагают, что тектоника плит могла начаться на Земле вскоре после 3,4 млрд лет, геологическое сообщество расходится во мнениях относительно конкретных цифр.

«Мы считаем, что тектоника плит в долгосрочной перспективе важна для отвода тепла, создания магнитного поля и поддержания пригодности нашей планеты для жизни, — говорит Тардуно. — Но в самом начале и ещё через миллиард лет после этого наши данные показывают, что тектоника плит нам не нужна».

В состав группы вошли исследователи из четырёх американских институтов и институтов Канады, Японии, Южной Африки и Великобритании. Исследование финансировалось Национальным научным фондом США.