Камень погрузился на 90 километров в недра Земли и вернулся с температурной историей, противоречащей научным моделям

Учёные обнаружили в Папуа — Новой Гвинее необычный камень, который около 4,4 миллиона лет назад погрузился на глубину более 90 километров, а затем вновь оказался на поверхности Земли. Его минеральный состав сохранил следы температур и давлений, пережитых в недрах планеты. Однако восстановленная история оказалась неожиданной: на сравнительно небольшой глубине порода нагрелась сильнее, чем предсказывают геологические модели, а при дальнейшем погружении температура росла гораздо медленнее.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience, показывает, что температурные условия в зонах столкновения тектонических плит могут быть значительно сложнее, чем предполагалось ранее.

Образец нашли на острове Гуденаф в восточной части Папуа — Новой Гвинеи. Он был извлечён из обнажения горных пород, содержащего эклогит — породу, которая образуется под воздействием высокого давления.

Анализ показал, что этот камень когда-то был частью континентальной земной коры, которая оказалась втянута в глубины планеты в зоне субдукции. Так называют область на границе тектонических плит, где одна плита погружается под другую.

Обычно такие процессы описываются следующим образом: относительно холодные горные породы постепенно уходят в более горячие и глубокие области Земли, где давление и температура возрастают. Однако погружающимся породам требуется время, чтобы нагреться до температуры окружающей среды. Поэтому даже на большой глубине они могут оставаться сравнительно холодными.

Но найденный образец продемонстрировал совсем другую картину.

Исследователи восстановили условия, через которые прошёл камень, и обнаружили, что уже на глубине около 45 километров его температура достигала приблизительно 700 градусов Цельсия. Это значительно выше значений, которые современные модели предсказывают для зон субдукции на такой глубине.

Ещё удивительнее оказалось то, что происходило дальше. Когда порода погрузилась более чем на 90 километров, её температура увеличилась всего примерно на 100 градусов, достигнув около 800 градусов Цельсия.

Таким образом, первая часть погружения проходила в неожиданно горячих условиях, тогда как на гораздо большей глубине порода оказалась в относительно холодной среде по сравнению с обычными ожиданиями для таких условий.

«Этот камень особенно интересен тем, что сохранил свидетельства двух совершенно разных температурных условий на разных этапах своего пребывания глубоко внутри Земли», — объясняет геолог Аксель Шмитт из Университета Кёртина в Австралии.

По его словам, на глубине около 45 километров порода была удивительно горячей, однако по мере дальнейшего погружения попала в среду, которая оказалась холоднее, чем обычно ожидается на такой глубине.

Как учёным удалось восстановить путешествие, произошедшее миллионы лет назад?

Главной подсказкой стали минералы, сохранившиеся внутри камня. Один из них — коэсит, особая форма диоксида кремния, которая образуется только при чрезвычайно высоком давлении.

Исследователи обнаружили крошечное включение коэсита внутри кристалла граната. Его присутствие свидетельствует о том, что порода действительно побывала на глубине более 90 километров, где существуют необходимые условия для образования этого минерала.

Другой минерал, циркон, позволил определить время, когда камень подвергался столь высокому давлению. По оценкам учёных, коэсит сформировался приблизительно 4,4 миллиона лет назад, когда порода находилась глубоко в недрах Земли.

Сопоставив минералогические данные, исследователи смогли восстановить историю изменения давления и температуры во время погружения.

Полученная картина оказалась настолько необычной, что поставила под сомнение точность существующих температурных моделей зон субдукции.

«Это противоречит нашим современным температурным моделям зон субдукции», — отмечает ведущий автор исследования Ян Шёниг из Гёттингенского университета в Германии.

Основная загадка заключается в том, почему порода сначала испытала настолько сильный нагрев, а затем при дальнейшем погружении оказалась в условиях, относительно холодных для такой глубины.

Учёные предложили несколько возможных объяснений.

Первое связано с механическими процессами, происходящими на границе тектонических плит. Когда огромные массы горных пород перемещаются относительно друг друга, возникают интенсивные сдвиговые деформации. Они могут сопровождаться выделением дополнительного тепла.

В таком случае породы на относительно небольшой глубине способны нагреваться гораздо сильнее, чем предполагают модели, учитывающие обычное распределение температуры внутри Земли.

«Одна из возможностей заключается в том, что интенсивные сдвиговые деформации в местах соприкосновения тектонических плит создают дополнительное тепло на сравнительно небольших глубинах», — объясняет Шмитт.

Это могло бы объяснить, почему на глубине 45 километров температура исследованной породы достигала необычно высокого значения.

Второе возможное объяснение связано с возрастом самой зоны субдукции.

По словам Шмитта, она могла сформироваться сравнительно недавно и ещё не успеть охладиться до температур, которые учёные обычно ожидают в подобных областях.

В таком случае необычный температурный профиль отражает особенности развития конкретной тектонической системы, а не обязательно указывает на ошибочность всех существующих представлений о погружении земной коры.

Пока исследователи не установили, какое из объяснений является правильным. Однако обнаруженная последовательность температур уже показывает, что распределение тепла в зонах субдукции может быть гораздо менее предсказуемым, чем принято считать.

Хотя в целом температура Земли увеличивается с глубиной, этот рост далеко не всегда происходит равномерно. На него могут влиять особенности взаимодействия тектонических плит, механические деформации и история формирования конкретной геологической области.

Найденный в Папуа — Новой Гвинее камень стал наглядным свидетельством такой сложности.

«Наши результаты показывают, что температурная структура этих зон может быть сложнее, чем считалось ранее. Это поможет лучше понять, как происходит субдукция на протяжении миллионов и миллиардов лет», — говорит Шмитт.

По его словам, изучение подобных температурных изменений позволяет точнее представить экстремальные условия, существующие в глубинах Земли, где сталкиваются тектонические плиты и происходят процессы, определяющие облик поверхности планеты.

Особенность открытия заключается в том, что исследователям не потребовалось непосредственно проникать на десятки километров под поверхность. Всю необходимую информацию они получили из минералов, которые сохранили следы древнего погружения породы.

Один небольшой камень оказался своеобразной записью путешествия в недра планеты. И эта запись показала, что даже хорошо изученные геологические процессы могут протекать в условиях, которые современные научные модели пока не способны полностью объяснить.