Новые исследования процессов, способствующих перемешиванию нижней мантии Земли, проливают свет на то, каким образом в мантии задерживается часть древнейших благородных газов, заключенных в ней на ранней стадии развития планеты.
В докладе, опубликованном в недавнем выпуске журнала Nature, поднимается вопрос, волнующий ученых уже многие годы: как решить противоречие между общепринятой в геофизике концепцией о конвекции мантии Земли и присутствием благородных газов в вулканических породах. Исследователи из Университета Райса и Гарвардского университета создали новую модель, демонстрирующую, как благородные газы - гелий, неон и аргон - выделяются из недр Земли во время мантийной конвекции.По мнению соавтора доклада Хельджа Гоннерманна, доцента кафедры геофизики Университета Райса, большинство существующих моделей изображает мантию со значительно сниженным показателем объема благородных газов в результате конвекции. Исключение может составлять, разве что частичная или полная изолированность нижней мантии. Ученые поставили перед собой цель найти механизм, объясняющий, как древние благородные газы могут сохраняться в нижней мантии, и в то же время не противоречащий существующим теориям о мантийной конвекции».
На первый взгляд, кажется, что за всю историю человечества поверхность Земли мало изменилась. Однако геофизики знают, что самый верхний слой планеты, литосфера, состоит из постоянно движущихся тектонических плит, которые, сталкиваясь, образуют горные хребты. Когда же глубоко под океаническим дном они (плиты) расходятся, появляется новая кора за счет частичного расплавления верхней мантии. Плиты также смещаются друг относительно друга в так называемом процессе субдукции. 15 лет тому назад сейсмологам удалось обнаружить, что некоторые пододвинутые плиты уходят глубоко в недра Земли. В некоторых случаях они даже достигают уровня мантийной переходной зоны - пласт, который залегает на глубине 660 километров и разделяет верхнюю мантию от нижней.
«Ученые столкнулись с настоящим парадоксом, так как господствующая теория в геофизике утверждает, что только верхняя мантия участвует в рециклинге тектонических плит, - говорит Гоннерманн. – До недавних пор ученые придерживались этой точки зрения благодаря тому, что в океанических островных базальтах, представляющих собой вулканические породы, зафиксирована относительно высокая концентрация благородных газов».
Один из этих благородных газов – гелий-3, т.е. изотоп гелия, который не образуется в недрах Земли. Ученые знают, что практически весь гелий-3, присутствующий на Земле, высвободился еще в период формирования планеты. Гелий-3 имеет тенденцию выделяться из мантии, когда поднимается для образования новой коры. По мере того, как мантийное вещество циркулирует от мантии до океанической коры и обратно к мантии, геофизики рассчитывают видеть все меньше и меньше гелия-3. Это верно для большинства базальтовых пород, образованных из лавовых извержений срединно-океанических горных хребтов. Однако есть и исключения. Например, базальтовые породы на Гавайах и других вулканических островных цепях. Считается, что океанские островные цепи образуются, когда мантийные плюмы поднимаются из самой нижней мантии на поверхность Земли, затем мантия частично плавится и образует базальтовую магму.
«Присутствие древних благородных газов в этих базальтах говорит о том, что они остались захваченными в нижней мантии с момента формирования Земли – около 4.5 миллиардов лет тому назад, - говорит Гоннерманн. – В верхней мантии же, напротив, бОльшая часть газов высвобождается благодаря рециклингу тектонических плит, когда газы вытекают вместе с базальтовой магмой, постоянно образующей новую кору в срединно-океанических хребтах».
В ходе новых исследований Гоннерманн вместе со своим давним коллегой Суджоу Мухопадья, геохимиком из Гарварда, разработали модель, в которой разрешено противоречие между теорией о конвекции и найденными в базальтовых породах океанских островов запасы гелия-3. Модель предполагает, что как верхняя, так и нижняя мантии участвуют в процессе конвекции, однако, конвекция воздействует на них по-разному. Верхняя мантия интенсивно дегазируется посредством повторяющихся тектонических циклов, в то время как нижняя мантия совершает рециклинг примерно раз в 4.5 миллиардов лет. Постоянное перемешивание пододвигающихся плит в нижнюю мантию разбавляет там концентрацию благородных газов. Вместо извлечения древних благородных газов в их первоначальной концентрации, значительно меньшие объемы газа извлекаются при любой частоте тектонического цикла. Соответственно, около 40 процентов древнего гелия-3 может все еще присутствовать в нижней мантии, несмотря на то, что газ мог пройти целый тектонический цикл за последние 4.5 миллиардов лет.
«В противовес популярной теории конвекции о том, что тектонический цикл нижней мантии приводит к интенсивному перемешиванию нижней и верхней мантии, тем самым стирая различия в гелии-3, мы считаем, что бОльшая часть тектонического цикла нижней мантии существенно минует верхнюю мантию, - говорит Мухопадья. – То, что опускается, должно затем подняться: плиты, которые субдукцируются и перемешиваются в нижнюю мантию, уравновешиваются мантийными плюмами, богатыми гелием-3, который поднимается из нижней мантии на поверхность Земли и не перемешивается в значительной степени, проходя верхнюю мантию».
