Древнейшие кристаллы циркона меняют историю Земли
Международная команда ученых пришла к выводу, что тектоника плит — геологический механизм Земли, который перемещает гигантские плиты земной коры, — началась гораздо раньше, чем предполагали ранее. Движение плит, вероятно, началось более 4 миллиардов лет назад всего через несколько сотен миллионов лет после образования Земли.
Возможно, тектоника сыграла важную роль в формировании первой суши и помогла зарождению жизни, говорит соавтор работы Росс Митчелл, геофизик из Китайской академии наук.
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Земля была вполне пригодна для жизни», — утверждает Митчелл.
Принято считать, что тектоника плит началась 3,5 миллиарда лет назад, после того как Земля достаточно остыла, чтобы сформировать твердую кору, закрывающую горячую мантию. Когда плиты океанической коры опустились в мантию, они вызвали извержения вулканов. Вулканы подняли цепочки островов, которые в конечном итоге объединились в первые континенты.
Доказательством этой картины являются древнейшие фрагменты континентов, датируемые примерно 3,5 миллиарда лет назад. Моделирование показало, что движение земной коры могло начаться гораздо раньше. Но найти веские доказательства было сложно. Единственными сохранившимися материалами эпохи Катархея (4,5 — 4 миллиарда лет назад) являются сверхпрочные кристаллы — цирконы. Самые древние цирконы были обнаружены в австралийском горном массиве Джек-Хиллз. Они датируются 4,3 миллиарда лет назад.
Цирконы могли кристаллизоваться из свежей магмы, во многом подобно современной океанской коре, но они также могут образовываться из осадочных пород на суше, которые смываются в океан, погружаются обратно в мантию и вновь появляются на поверхности при следующих подъемах магмы. По словам Митчелла, эти всплывшие на поверхность цирконы или цирконы S-типа служат доказательством существования континентов и процесса субдукции. При этом процессе тектонические плиты встречаются и одна из них погружается под другую, и кристаллы опускаются в мантию.
Исследователи идентифицируют цирконы S-типа, находя в них включения слюды — слоистого минерала, часто встречающегося в осадочных породах, или измеряя повышенные уровни микроэлементов, связанных с магмой, образовавшейся из выветрившихся наземных пород, таких как алюминий или фосфор.
Но далеко не все минералы могут дать точную информацию о своем происхождении, и чем старше образцы, тем сложнее становится проследить их формирование.
ИИ разбирает цирконы
Митчелл и его коллеги обратились к базовому подходу искусственного интеллекта, известному как машинное обучение, для сортировки цирконов. Они собрали набор данных о содержании элементов 374 цирконов, происхождение которых установлено.
80% цирконов они использовали для обучения алгоритмов, а 20% — для их тестирования. Ученые варьировали количество диагностических факторов и обнаружили, что девять — «в самый раз», говорит Митчелл.
«Это многомерная задача классификации, которая, кажется, идеально подходит для таких задач», — говорит Роджер Фу, планетолог из Гарвардского университета, не связанный с этой работой.
Затем Митчелл и его коллеги применили обученный алгоритм к 971 очень древнему циркону из Джек-Хиллз, происхождение которого было неясным. Они обнаружили, что более трети из них принадлежали к S-типу, и возраст некоторых из них до 4,2 миллиарда лет.
Группа Митчелла также обнаружила, что процент цирконов S-типа меняется со временем, повышаясь и понижаясь по схеме, напоминающей известные циклы создания и разрушения суперконтинентов в более поздней истории Земли.
Крис Хоксворт, геохимик из Бристольского университета, говорит, что субдукции, произошедшей более 4 миллиардов лет назад, не обязательно означают, что к этому моменту «двигатель» тектоники плит полностью включился. Хоксворт указывает, что есть и другие способы погрузить кору обратно в мантию, например, с помощью удара гигантского астероида. Тем не менее, процесс субдукции выглядит наиболее вероятной причиной.
Свидетельств ранней тектоники плит становится все больше на основе исследований, на цирконах Джек-Хиллз. Так в апреле 2024 года исследователи сообщили, что пресная вода участвовала в формировании цирконов возрастом 4 миллиарда лет — это еще один признак того, что в то время существовали континенты и, предположительно, тектоника плит. Что сейчас необходимо, так это дополнительные древние цирконы из других мест, кроме Австралии, говорит Роджер Фу.