Как выжили обитаемые континенты Земли

ВтЖители суши склонны воспринимать как нечто само собой разумеющееся существование континентов, на которых мы проводим свои дни и ночи. Но континенты Земли на самом деле являются планетарной странностью. Ни одна другая планета в нашей солнечной системе — или, насколько нам известно, за ее пределами — не имеет таких больших территорий суши, как Африка или Австралия, отделенных друг от друга огромными океанами.

Хотя другие скалистые планеты и спутники нашей солнечной системы имеют топографические максимумы и минимумы, континенты на Земле не просто расположены выше океанских бассейнов; они состоят из чего-то совершенно другого: гранита, породы низкой плотности, богатой кремнием, натрием, калием и ураном — элементами, которые встречаются в гораздо меньших концентрациях в мантии, конечном источнике всех пород земной коры.

Но как именно сформировались и выжили эти гранитные континенты, остается давней загадкой.

Конечно, они не сформировались все сразу. Считается, что ранняя Земля представляла собой водный мир, имевший только базальтовую кору и не имевший суши. Самые ранние основания континентов, образовавшиеся 4 миллиарда лет назад, должны были извергаться подводными вулканами и никогда не подниматься над уровнем моря. Но дистилляция этой магмы, богатой редкими элементами, потребует многих циклов плавления и очистки.

Теперь новый бумага в Природа предполагает, что только после того, как эти массивы суши поднялись из моря, а не раньше, они стали сильными и долговечными континентами, которые мы знаем сегодня. Авторы предполагают, что выветривание под воздействием дождя и ветра концентрировало радиоактивные элементы в возникающей породе, выделяя достаточно тепла, чтобы превратить ее в гранит. Это противоречивое открытие говорит нам о том, что атмосфера и гидросфера сформировали континенты Земли, и дает представление о том, как обитаемые планеты земного типа могут развиваться в других частях Вселенной.

Осмелившись подняться над океанскими волнами, континенты обеспечили себе долгосрочное выживание.

По мере того, как богатая кремнеземом магма выплавлялась из мантии, она накапливалась в более толстые тела, плавучие протоконтиненты, которые начали возвышаться над мировым океаном, утверждают соавторы Джесси Рейминк и Эндрю Смай, оба профессора геолого-геофизических наук в Пенсильванском университете. Университет. Можно представить, что воздействие разрушительных сил выветривания и эрозии будет препятствовать росту континентов — что когда континенты поднимутся за воздухом, они посеют семена собственного разрушения.

Но вместо этого Рейминк и Смай предполагают, что разрушение горных пород, связанное с воздействием воздействия, на самом деле было ключом к взрывному производству гранита, который превратил «кратоны» в прочные ядра современных континентов. Эти кратоны сравнивают с килем лодки — они удерживают континенты на плаву на уровне моря или около него в огромных временных масштабах.

По словам Рейминка и Смай, это удивительное открытие стало результатом «мысленного эксперимента». Два профессора, которых объединяет интерес к долгосрочной эволюции твердой Земли, размышляли о том, как возникновение континентов и начало эрозии могли изменить земную систему. «Мы спросили себя: как появление отложений — продуктов эрозии — изменило бы то, как устроен мир?» — сказал Рейминк.

Хотя эрозия выравнивает топографию, она имеет тенденцию перераспределять, а не удалять массу континентов. Большинство отложений накапливается либо на погруженных склонах суши — континентальных шельфах, либо в низменных внутренних котловинах. По мере того, как отложения перемещаются от скалистых источников к конечным местам осаждения (процесс, который в основном обусловлен реками), они взаимодействуют с водой и углекислым газом из атмосферы, что меняет их химический состав. Легко растворяющиеся элементы, такие как натрий, уносятся в раствор, оставляя остаток кварца и глинистых минералов, которые затем отлагаются в виде песчаников и сланцев (последние также известны, менее элегантно, как аргиллиты).

Хотя они не склонны формировать драматические ландшафты, которые часто формируют песчаники (вспомните скальные арки и щелевые каньоны юго-запада Америки), аргиллиты более распространены, составляя около 70 процентов всех осадочных пород по объему. Аргиллиты также имеют тенденцию содержать высокие концентрации нерастворимых микроэлементов, особенно урана и тория, которые радиоактивны и поэтому выделяют тепло. Рейминк и Смай задавались вопросом, как «изобретение» большого количества выделяющего тепло сланца или аргиллита в результате выветривания могло изменить земную кору.

Первичный запас радиоактивных элементов на Земле разрушался с момента ее образования. Три миллиарда лет назад Земля содержала значительно больше урана и тория, поэтому любой объем аргиллита был бы еще горячее, чем сегодня. Раймих и Смай поняли, что их мысленный эксперимент указал на ранее нераспознанный источник тепла, ответственный за мировой эпизод плавления земной коры, произошедший примерно между 3 и 2,5 миллиардами лет назад и получивший название «неоархейское цветение гранита». За это время большие объемы гранитов были внедрены в зарождающиеся континентальные массы, «склеив» их в прочные кратоны.

Предыдущие гипотезы причины «цветения» гранита предполагали тепло, поднимающееся из мантии, но даже молодые континенты были достаточно толстыми, чтобы изолировать себя от тепла, исходящего снизу. Вместо этого Рейминк и Смай предполагают, что «горячие» аргиллиты, образовавшиеся в результате выветривания, были погребены или тектонически складчаты в ранней континентальной коре, а затем нагревали ее от в пределах.

Авторы представляют результаты компьютерных моделей, показывающие, что для вероятных объемов сланцев и более высоких количеств урана и тория в архейское время радиоактивный распад мог нагреть существующие породы земной коры — как граниты, так и осадки — до температур плавления, производя большие объемы новых гранит и затвердевание кратонов. То есть сланцы были достаточно горячими, чтобы «приготовить» себя и окружающие породы до точки плавления, и эта магма, давно остывшая, образует почти неразрушимую кору под нашими ногами.

Другими словами, мы, возможно, обязаны своим наземным существованием скромной грязи.

Работа Рейминка и Смай предполагает, что, осмелившись подняться над океанскими волнами, континенты обеспечили свое долгосрочное выживание, отказавшись от выделяющих тепло отложений, которые затем превратили их в нечто более прочное. Это новое исследование способствует растущему признанию неожиданных связей между внутренней и внешней частью этой планеты – как тектонические процессы Внутри Земли и гидрологические процессы на ее поверхности взаимодействуют для поддержания пригодных для жизни условий в течение миллиардов лет.

И это напоминание о том, что нельзя принимать гранит или грязь как нечто само собой разумеющееся.

Главное изображение: Bisams / Shutterstock

• Марсия Бьорнеруд

  Опубликовано 14 мая 2024 г.

  Марсия Бьорнеруд — профессор геологии Университета Лоуренса и автор книги Своевременность: как мышление геолога может помочь спасти мир. Она является членом Геологического общества Америки и стипендиатом Фулбрайта в 2000–2001 годах.