Пропавшие 500 миллионов: космическая бомбардировка расплавила первую кору Земли.

Высокая температура в гадейский период могла быть вызвана как ударами метеоритов, так и внутренними процессами.

Источник: Лаборатория концептуальных изображений Центра космических полетов имени Годдарда НАСА. Источник: Лаборатория концептуальных изображений Центра космических полетов имени Годдарда НАСА.

Земля — единственная известная нам планета с плавучими, богатыми кремнеземом континентами. Но, несмотря на десятилетия исследований, геологи до сих пор не пришли к единому мнению о том, как они образовались. «Континенты начали появляться примерно четыре миллиарда лет назад — это самая древняя из известных нам континентальных пород», — сказал Тим Джонсон, геолог из Университета Кертина в Перте, Австралия. «Земле четыре с половиной миллиарда лет, поэтому неизвестно, почему они начали появляться именно тогда, а также механизм образования этой континентальной коры».

Джонсон и его коллеги теперь утверждают, что формирование континентов на Земле было вызвано в основном интенсивным и продолжительным потоком столкновений с астероидами, которые поддерживали раннюю кору достаточно горячей и тонкой, чтобы сделать возможным существование плавучих континентов. Короче говоря, земли, на которых мы живем, существуют благодаря древней бомбардировке из космоса.

Плиты и плюмы

Проблема изучения формирования континентов заключается в том, что геологические свидетельства этого процесса практически исчезли. Самые древние известные породы континентального типа кристаллизовались около 4,03 миллиарда лет назад, прямо в конце гадейского эры (самой ранней эры в истории Земли, охватывающей первые 500 миллионов лет её существования). Редкие базальтовые породы датируются примерно 4,2 миллиарда лет, а несколько самых древних кристаллов циркона отодвигают этот период до 4,4 миллиарда лет. Дальше практически ничего нет. Поэтому учёным, изучающим происхождение континентов, приходится в основном полагаться на обоснованные предположения. «Ведутся огромные дебаты о том, что происходило на ранней Земле, потому что данных очень мало», — сказал Джонсон.

Одна из доминирующих теорий утверждает, что тектоника плит, во многом подобная современной, уже существовала в гадейском периоде, при этом континентальная кора формировалась над зонами субдукции — областями, где сталкиваются тектонические плиты. Другая теория утверждает, что ранняя Земля была слишком горячей для жестких плит, и что кора вместо этого формировалась над мантийными плюмами, поднимающимися из глубин планеты, — явление, сравнимое, по словам Джонсона, с восковыми каплями, поднимающимися внутри лавовой лампы.

Однако проблема с обеими этими идеями заключалась в том, что Земля, согласно большинству моделей, казалась слишком холодной для того, чтобы всё это могло произойти. «Люди пытались понять тепловой баланс Земли во времени, и никому это не удавалось», — сказал Джонсон. «Никому это не удавалось, потому что мы не учитывали энергию, поступающую извне Земли». Эта энергия, утверждает он, поступала от столкновений с астероидами и метеоритами, которые происходили гораздо чаще, когда Солнечная система была молодой. Однако добавление этих столкновений к тепловому балансу ранней Земли оказалось довольно сложной задачей, потому что Земля обладает своеобразным способом залечивания своих ран.

Лунный спуск

Причина, по которой мы на самом деле не знаем, что происходило на Земле четыре миллиарда лет назад, заключается в том, что тектоника плит фактически перерабатывает поверхность планеты, возвращая её в мантию. «Одно место, где мы знаем, что происходило тогда, — это Луна», — сказал Джонсон. «Мы отправляли туда людей. Мы собирали там образцы. У нас есть огромное количество высококачественных данных с Луны». Поскольку на Луне нет тектоники плит, её кора представляет собой единую, твердую, непрерывную оболочку. И эта оболочка, как отметила команда Джонсона, усеяна ударными кратерами.

На основе данных о количестве кратеров на Луне, полученных путем калибровки по датированным лунным образцам, команда Джонсона смогла оценить, как часто крупные небесные тела сталкивались с нашим ближайшим небесным соседом вскоре после образования Земли. «Увеличение этого потока до размеров Земли и более сильной гравитации ясно показывает, что планета должна была быть поражена тысячами ударных объектов диаметром более 10 километров», — сказал Джонсон. Определив наиболее вероятную частоту столкновений и размер ударных объектов, его команда смогла рассчитать, сколько энергии эта мощная бомбардировка передала Земле и, следовательно, сколько тепла она произвела.

Оказалось, что жара была очень сильной.

Большинство предыдущих моделей теплового баланса ранней Земли были сосредоточены на внутренних источниках, таких как тепло, оставшееся после аккреции и формирования ядра, а также на продолжающемся распаде радиоактивных изотопов — мы считали, что они являются абсолютно доминирующими. Модель космической бомбардировки Джонсона показала, что это не так.

Накаляем обстановку

Команда сосредоточилась на моделировании того, как кинетическая энергия каждого удара в конечном итоге преобразуется в тепло. По словам Джонсона, физика довольно проста, даже если детали сложны. «На самом деле все так же просто, как преобразовать размер и скорость ударного тела в энергию», — объясняет он. Когда ударяет крупное тело, часть энергии удара идет на испарение или плавление породы прямо в месте удара. Но, особенно когда ударное тело большое, большая часть энергии распространяется в мантию. «Эта энергия, по сути, нагревает всю верхнюю мантию», — сказал Джонсон.

Этот нагрев стимулирует дальнейшее плавление и базальтовый вулканизм — процесс, который разворачивается не только в течение минут или часов непосредственно после столкновения, но и в течение десятков или даже сотен миллионов лет после него. Когда Джонсон и его коллеги суммировали эти факторы, выяснилось, что нагрев от удара на протяжении большей части гадейского периода примерно на порядок превышал радиогенный нагрев и нагрев ядра.

Ввод этих переработанных данных о тепловом балансе в геодинамические модели привел команду к выводу, что земная кора в гадейском периоде была тонкой и в основном расплавленной. Модели показывают, что ее толщина составляла менее 5 километров, а повсеместное частичное плавление начиналось всего в 2-3 километрах от поверхности. На глубине около 5 километров доля расплава по объему превышала 30 процентов — значительно превышая тот уровень, при котором горные породы могут сохранять целостность.

Главный вывод заключался в том, что тектоника плит не может работать в таких условиях. «Субдукция и тектоника плит требуют, чтобы литосфера была жесткой и могла смещаться и погружаться», — сказал Джонсон. «Это просто невозможно, если наши расчеты хоть сколько-нибудь близки к истине».

Моделирование, учитывающее локализованные эффекты отдельных крупных ударов, также показало масштабную переработку земной коры обратно в мантию, при этом материал просачивался на глубину не менее 600 километров. Джонсон считает, что эта переработка объясняет, почему так мало гадейской коры сохранилось до наших дней. Он также утверждает, что это объясняет почти полное отсутствие деформированных ударными волнами гадейских цирконов в геологической летописи. Исследователи предполагают, что при таком большом количестве расплава на малых глубинах он поглощал и рассеивал ударные волны, прежде чем они оставляли стойкие деформации в сохранившихся кристаллах.

Поворотный момент

Интенсивность ударных воздействий не оставалась высокой вечно; она снижалась более или менее экспоненциально. В период от 3,9 до 3,5 миллиардов лет назад она упала настолько, что внутренние источники тепла стали доминирующим фактором воздействия на земную кору. По мере ослабления ударного нагрева верхняя мантия охлаждалась, а некогда тонкая базальтовая кора утолщалась.

Моделирование, проведенное командой, предполагает, что толщина земной коры достигла около 30 километров к началу архея, эпохи, последовавшей за гадейским периодом. Эта более толстая, холодная и жесткая кора, наконец, смогла поддерживать тектонику плит, и примерно в это же время в геологической летописи появляются первые континентальные породы. «Как только вы можете создать толстую кору и мантийную литосферу под ней, вы можете начать строить континенты», — сказал Джонсон.

Команда признает, что большая часть аргументации основана на физическом моделировании, а не на образцах горных пород. Однако, в отсутствие геологических доказательств, Джонсон считает, что опора на моделирование оправдана. «Нам нужно начать серьезно относиться к результатам этих моделей, а не просто говорить: ну, мы не можем найти никаких горных пород, так что давайте сдадимся», — сказал он. Но древние породы, какими бы труднодоступными они ни были, могут появиться и в ближайшем будущем — Земля очень хорошо скрывает следы своей истории, но она не идеальна.

«В зеленокаменном поясе Нуввуагиттук в Канаде группа североамериканских исследователей недавно определила возраст темной мафической породы как 4,2 миллиарда лет», — сказал Джонсон. «Мне также известно, что другая группа обнаружила породу, которая, возможно, еще старше. Надеюсь, вы сможете прочитать об этом в ближайшие пару месяцев».

Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aeb5402

Источник: arstechnica.com