Екатерина Шульман
о новой роли
российского парламента

Переворот в мантии

Александр Соболев рассказывает о рециклировании вещества в мантии Земли

Лектор: (none) 25.08.2008, 19:51
usgs.gov

Геология в наши дни переживает настоящую революцию, связанную с пониманием роли рециклирования земной коры в мантии. Доля «вторсырья» невелика, но именно благодаря ему существуют Гавайи, а на границе пермского и триасового периодов палеозойская жизнь исчезла, уступив дорогу нашим более совершенным предкам.


Месяц назад мы опубликовали статью
«Исландия сходила под себя», в которой рассказали о новой работе Александра Владимировича Соболева, члена-корреспондента РАН, заведующего лабораторией Института геохимии и аналитической химии имени Вернадского. Статья вызвала значительный читательский интерес и пожелания продолжить тему.

Ключевой автор работы находился в то время еще в Исландии, а едва вернувшись в Москву, тут же отправился в новую экспедицию на Камчатку. Корреспонденту «Газеты.Ru» удалось перехватить Александра Владимировича во время его короткого визита в столицу, и он с удовольствием рассказал, над чем работает, как изменилась наука о Земле за последние годы и почему не стоит бояться выступать даже с самыми смелыми идеями, если их подтверждает эксперимент.

Александр Владимирович, статья, на которой базировалась наша заметка, написана очень сжато и умещается на одной странице журнала. Но она является частью целой серии работ. В чем их суть и значение?

Наши работы посвящены изучению рециркуляции вещества земной коры, теория которой в настоящее время привела к значительной реорганизации наших знаний о Земле, подобной той, что свершилась с развитием теории литосферных плит.

Сама гипотеза о том, что уже сформированная земная кора погружается в мантию в так называемых зонах субдукции, а затем её вещество снова выходит на поверхность в мантийных струях (плюмах), была высказана еще в 1982 году. Автором этой гипотезы является немец Альбрехт Хофманн, который так же является соавтором моих работ.

Сегодня это один из самых известных геохимиков мира, однако, в 82 году он был осмеян, и на подготовленную публикацию с концепцией теории рециклирования вещества земной коры научное сообщество ответило отрицательной рецензией, и даже чуть было её не завернуло.

Почему ученые так первоначально негативно отреагировали на появление такой свежей гипотезы? Ведь Хофманну все же удалось добиться признания?

Да, и более того, с течением времени эта теория становилась все более интересной. Кстати, название вашей заметки все же не соответствует истине, хотя и привлекает внимание.

Исландия не ходила под себя?

Дело в том, что возраст древнего вещества, принявшего участие в формировании Исландии, может, по данным нашей работы, составлять до двух миллиардов лет, в то время как сама Исландия появилась на свет не ранее 15 миллионов лет назад. Древнее вещество, перед тем как выйти на поверхность в современной Исландии, было затянуто в мантию в некоей зоне субдукции, месте, где одна литосферная плита ныряет под другую. Где эта зона находилась два миллиарда лет назад, сейчас сказать невозможно, да и об облике Земли в те времена известно немного. Поэтому откуда родом вещество земной коры, принявшее участие в формировании Исландии - не знает никто.

Рециркуляция мантийного вещества происходит, в основном, в так называемых мантийных струях, а в зоне срединных океанических хребтов, которые вы также упомянули в заметке, происходит довольно спокойное и медленное движение больших объемов мантии, и рециркулирует значительно меньше древней коры. Мантийные же струи, или плюмы - это направленные трубообразные потоки в мантии, которые ответственны, например за магматизм Гавайев, Исландии. И, кстати, именно плюмы могли стать виновниками байкальского рифтового разлома.

Почему рециркуляция происходит именно в плюмах, а не в зоне срединно-океанических хребтов?

Когда вещество земной коры опускается в мантию, оно становится более плотным и более тяжелым по сравнению с мантией. Чтобы снова вынести его на поверхность, мантии требуется очень высокая температура (чем выше температура, тем легче вещество). Именно высокая избыточная температура является характеристикой таких мантийных плюмов. Температура мантийных потоков под срединно-океаническими хребтами значительно ниже и они способны «тащить» гораздо меньше тяжелой рециклированной коры по сравнению с плюмами.

Рециркуляция вещества земной коры, по нашим оценкам, могла занять до 2 миллиардов лет, однако было бы неверно говорить, что рециркуляция длилась все это время.

Дело в том, что в процессе рециркуляции при выносе вещества на поверхность мантийным плюмом, как, в общем-то, и при погружении вещества в результате субдукции, его скорость составляет от нескольких сантиметров до метра в год. По современным представлениям, вещество может опускаться максимум на самое дно мантии - к ее границе с внешним ядром Земли на глубине 2900 км.

Полный оборот вещества земной коры (туда и обратно), таким образом, составляет примерно шесть тысяч километров, которые вещество преодолевает, по самым крайним оценкам, в первые сотни миллионов лет. Поэтому большую часть времени вещество древней коры Земли просто где-то лежит и не участвует в процессах в мантии.


Именно эти внутренние процессы в мантии и послужили толчком для ваших работ и кооперации с Хофманном? Почему научное сообщество все же не смогло оставить их без внимания?

Причиной этого послужили химические неоднородности в мантии, которые стали обнаруживаться благодаря совершенствованию аналитических методик. Эти неоднородности не могли быть объяснены одними лишь внутренними процессами под земной корой. Официальная парадигма в науках о Земле не позволяла привлечь для объяснения процессов формирования магматических пород какие-то внешние источники.

Однако все становилось на свои места, как только привлекалась теория рециклирования земной коры. Согласно ей в формировании магматических пород может принимать участие вещество земной коры, опустившееся в мантию, расплавившееся там и вновь вышедшее на поверхность.

Что именно скрывается за словом «неоднородности»?

Говоря о неоднородностях я прежде всего имею ввиду изотопный состав. Химический состав пород может быть чувствителен к различным процессам - плавлению вещества, химическому взаимодействию и так далее. Изотопный же состав к таким процессам не чувствителен.

Однако чувствителен к временным параметрам изоляции одних компонентов породы от других.

Изотопные неоднородности начали массово изучать еще в течение последних двадцати лет минувшего века и активно изучают по сей день. Эти гетерогенности значительны и несомненны, и многие современные ученые стали объяснять их привлечением внешнего источника вещества в формировании молодых магм - а именно, старой рециклированной океанической корой.

А что служит образцом сравнения для выявления таких неоднородностей в изотопном составе горных пород? Как мы можем быть уверены в том, что зафиксировали неоднородность состава земного вещества, сравнивая два образца магматической породы земного происхождения?

Именно поэтому в качестве образца сравнения для анализа изотопного состава мы используем так называемый валовой состав Земли. Он определяется по составу каменных метеоритов - хондритов, которые, по современным представлениям, образованы веществом, сформировавшим в свое время все планеты земной группы (об этом речь ещё пойдёт дельше). Неоднородности изотопного состава земных горных пород очень древние, и многие связывают их с привлечением к образованию новой земной коры старой рециклированной океанической коры.

Эта океаническая кора была сформирована тоже в результате плавления этой же мантии, только при более низких давлениях, что и определяет её специфический состав. Когда такая кора в зоне субдукции попадает в мантию, в область высоких давлений, она становится неравновесной, что приводит к различным реакциям, которые мы и изучаем, начиная с 2000 года. Сейчас мы опубликовали на эту тему уже четыре работы в Nature и Science.

В соавторстве с зарубежными коллегами?

Да. Ал Хофманн является соавтором всех этих работ вместе с моими российскими коллегами из нескольких институтов РАН. А финансирование исследований я получил, в основном, от немецкого фонда Гумбольдта, выиграв огромный грант по программе Wolfgang Paul Awards. Немцы вообще очень любят привлекать к себе иностранные интеллектуальные силы. Гранты по этой программе составляли до 2,5 миллионов евро на четыре года, в 2001 году их раздали четырнадцати ученым по всему миру. Среди которых кроме меня оказался и академик Алексей Ремович Хохлов, недавно удостоенный Государственной премии России.

Эти деньги выдаются для учреждения лабораторий в немецких институтах. Я сделал такую лабораторию в Институте химии им. Макса Планка в немецком городе Майнце, директором которого являлся в то время Хофманн. Благодаря этой лаборатории и совместным усилиям мы сумели совершить прорыв в области теории рециклирования и в настоящее время являемся признанными мировыми лидерами. Нашим статьям по этой теме за их высокую цитируемость присвоен рейтинг hot papers и highly cited papers.

Что ждет вас в экспедиции на Камчатку?

До сих пор мы изучали процессы рециклирования, исследуя магматические породы, извергнутые некогда в прошлом и застывшие на поверхности земной коры. В свежей работе эти магмы мы исследовали в Исландии, до этого много работ было проведено на Гавайях, да и вообще по всему миру. Однако подойти к этому исследованию можно и с другой стороны - со стороны мантийных остатков, вынесенных после плавления на поверхность коры теми же самыми потоками расплавленного вещества мантии. На Камчатку мы едем исследовать именно такие остатки, возраст которых не превышает ста миллионов лет. Здесь очень активна субдукционная зона, где происходит погружение океанической земной коры. То есть мы видим самое начало процесса рециклирования.


Как развитие этой теории сказывается на современных представлениях о Земле?

На самом деле, сейчас мы переживаем весьма любопытный период в истории изучения истории Земли.

Фактически, мы с вами являемся очевидцами революции во взглядах, сравнимых с революцией, которую произвела в свое время теория литосферных плит.

Ученые сейчас заново пересматривают концепции наук о Земле, и начинается этот пересмотр с самых основ, с состава вещества, из которого сформировались Земля и Луна. Буквально два года назад американские ученые показали, что хондритовая модель формирования Земли не работает, точнее, работает, но с очень серьезными оговорками. Сделать такие выводы им помогла исключительно возросшая точность анализа изотопов неодима.

То есть каменные глыбы хондритовых метеоритов могли никогда и не быть источниками вещества для маленьких планет Солнечной системы?

Суть заключается в том, что принципиальное соотношение элементов неодима и самария в земном веществе отличается от хондритового. Отличается значительно и с давних пор - возможно, с самого начального момента формирования Земли. Речь идет о неодиме-142. Неодим-142 образуется в результате очень быстрого распада самария-146, период полураспада которого составляет всего сто миллионов лет - в тысячу раз быстрее, чем для пары самарий-147-неодим-143.

Если вещество земли образовалось именно из хондритов, тогда соотношение изотопов неодима-142 и неодима-144 и в хондритах и в земных породах должно быть одинаково.

На деле же такого не наблюдается ни в одном случае сравнения земного материала с хондритовым.

Это означает, что, либо Земля действительно образовалась не из хондритов - что в корне меняет всю современную парадигму, либо соотношение неодима к самарию в земных породах успело поменяться за считанные миллионы лет в начале формирования Земли. Во втором случае где-то на Земле должен быть резервуар, где до сих пор хранится избыточное количество неодима по отношению к самарию.

На поверхности Земли такого резервуара не обнаружено до сих пор, и только очень древние породы - самые древние из тех, что мы можем обнаружить на поверхности земной коры, как будто бы показывают иное соотношение неодима к самарию. Правда,
регистрируемое изменение состава находится на пределе погрешности методики измерения.

Не так давно было выяснено, что аналогичное изменение соотношения по сравнению с хондритом есть и на Луне и даже на Марсе.

Конечно, серьезную геохимическую лабораторию на Марс доставить невозможно, зато мы располагаем образцами метеоритов марсианского происхождения.

Надо отметить, что проблемы с хондритовым источником пород Земли уже неоднократно поднимались учеными и ранее на основании геохимии неодима, самария и свинца, в том числе и российским геохимиком Юрием Костициным из Института геохимии им. Вернадского. Но для принципиального решения не хватало точных определений неодима 142. Вот пример того, как современная геохимия при помощи современных методик точного анализа поставила теорию происхождения Земли на совершенно другой уровень.


Ваши работы так же привели к смене парадигм?

Главная парадигма мантийной петрологии заключается в том, что вещество, из которого образуется магма, расплавленное вещество мантии - это перидотит. На 60% эта порода состоит из оливина - магнезиально-железистого силиката довольно простого состава. Считается, что именно этот минерал определяет состав магм; эта парадигма живет уже более ста лет.

Мы показали, что это не так - если в образовании источника магматических пород принимает участие рециклированное вещество, это приводит к полному исчезновению минерала оливина в источнике.

Как такое происходит?

Когда вещество океанической коры погружается в мантию, оно реагирует с мантийным веществом, что приводит к исчезновению оливина. Образуется безоливиновая порода, которую называют пироксенитом, и она-то и является главным источником магм мантийных плюмов.

Это открытие стало совершенной сенсацией, В том числе потому, что мы опубликовали его на основании работ на Гавайских островах - классическом и наиболее изученном проявлении мантийной струи. .

Под ногами у американских геохимиков?

Именно! После работы на Гавайских островах нами была предложена совершенно новая концепция образования мантийной струи вещества, да еще и американского происхождения. Хотя американцы были не слишком этим довольны, сейчас это уже признанный результат. Более того, по нашим подсчетам без рециклированного вещества, которое было главным источником гавайских вулканов, Гавайские острова бы вообще не поднялись над поверхностью воды.

А чем рециклированное вещество океанической земно коры так замечательно, что благодаря ему у американцев есть прекрасный курорт?

Океаническая кора - это базальт, вещество менее магнезиальное, но обогащенное алюминием и кремнием по сравнению с типичными мантийными породами (перидотитами). Если его пустить обратно в мантию, оно будет плавиться и реагировать с оливином перидотита.

В результате образуется промежуточная порода, которая может давать гораздо больше расплава при тех же температурах и давлениях.

Если бы лавы Гавайских вулканов формировались только из перидотита, как считалось прежде, на поверхность вышло бы не более 40% объема вещества по сравнению с современным. Островов бы как таковых попросту не существовало.

Результаты работы, опубликованные в Nature, обсуждались в публичной прессе, однако то был только первый щелчок по парадигме. Окончательно же мы её разрушили мы уже в работе 2007 года в Science. Тогда мы применили свою теорию и метод к глобальной системе плюмов во всем мире. В этой и ряде других работ мы показали систематическое изменение соотношения никеля к магнию и марганца к железу.

Тем самым мы ещё более укрепили позиции нашей гипотезы. В том числе и в Исландии, где мы впервые связали наш подход с изучением изотопов осмия - и смогли получить оценку возраста рециклированного материала.

Еще один важный результат нашей работы 2007 года непосредственно касается российской территории.

Это данные по сибирским траппам - гигантской магматической провинции, залившей базальтовыми расплавами большую часть Восточной, а возможно и Западной Сибири около 251 миллиона лет назад. Многие считают этот «магматический океан» причиной глобального вымирания жизни на границе палеозойской и мезозойской эр.

До нашего исследования было непонятно как могло образоваться такое количество магмы под мощной литосферой Сибири (более 150 км толщиной). Ведь при давлениях более 45 тысяч атмосфер, господствующих под такой «крышей», обычный мантийный перидотит не будет давать расплава даже при температурах самых горячих мантийных струй. А вот пироксенит, образованный из рециклированной коры будет значительно расплавлен и при таких условиях.

Мы впервые показали, что начальные порции магм сибирских траппов действительно образовались исключительно из рециклированной океанической коры. Значит, рециклированная кора сыграла ключевую роль и в истории развития жизни на Земле.

Беседовал Валерий Кривецкий