Геологи выяснили, когда недра Земли начали "дышать"

Недра Земли  начали активно обмениваться газами и жидкостями с атмосферой и гидросферой неожиданно поздно, примерно 2,5 миллиарда лет назад. Это говорит о необычном характере остывания  планеты, заявляют геологи в статье, опубликованной в журнале Nature. 

"Большинство людей не подозревает, что в недрах Земли присутствует огромное количество воды, различных газов и других летучих веществ. Их доля относительно низка, но это компенсируется огромной массой мантии. По этой причине "дыхание" планеты, обмен газами между литосферой, атмосферой и гидросферой, играет важную роль в существовании и эволюции жизни", — рассказывает Рита Парай (Rita Parai) из университета Вашингтона в Сент-Луисе (США).

Круг жизни

По мнению геологов, жизнь существует на Земле и отсутствует на Венере благодаря тому, что недра нашей планеты не стоят на месте, а постоянно "мигрируют" между ее поверхностью и глубинными слоями литосферы. Движение континентов, постепенное погружение их пород в глубины мантии и их последующее "всплытие" помогают Земле  "сбрасывать" лишнее тепло и стабилизировать климат.

Этот процесс, как считают ученые, влияет не только на климат, но и на состав атмосферы и океанов Земли. Когда породы континентов погружаются вглубь мантии, они уносят с собой большие количества осадочных пород, содержащих различные газы, воду и другие летучие вещества. Они возвращаются к поверхности вместе с извержениями вулканов, что часто резко меняет состав воздуха и воды, и сильно влияет на земную жизнь.

К примеру, недавно геологи обнаружили, что "всплытие" мантии в окрестностях современного Норильска привело к насыщению атмосферы большим количеством парниковых газов и "засеиванию" океанов нутриентами, ускоряющими рост микробов. Оба этих события, произошедшие примерно 255 миллионов лет назад, послужили "спусковым крючком" для Пермского вымирания, самого серьезного катаклизма в истории жизни на Земле. 

Парай и ее коллега Суджой Мукхопадхиай (Sujoy Mukhopadhyay) из университета Калифорнии в Дэвисе (США) выяснили, когда запустились подобные "легкие" планеты, изучая древнейшие образцы пород коры и мантии Земли.

Как объясняют геологи, недра планеты содержат небольшие количества благородных газов, попадающих туда как вместе с "тонущей" корой, так и возникающие в результате распада урана, тория и других радиоактивных элементов.

Поздний старт

Мукхопадхиай и Парай заметили, что доли изотопов одного из таких газов, ксенона, будут сильно различаться для пород, часто контактировавших с водой и атмосферой, и для первичной материи Земли. К примеру, первичная мантия должна содержать в себе относительно много ксенона-129 и ксенона-136, а воздух и переработанные породы коры – ксенона-124 и ксенона-128.

Руководствуясь этой идеей, ученые проанализировали несколько образцов метеоритов, похожих по составу на первичную материю Земли, а также пород мантии, покинувших недра планеты относительно недавно, и попытались вычислить время запуска ее "легких". 

Эти расчеты показали, что "атмосферный" ксенон фактически полностью отсутствовал в недрах Земли на протяжении первых двух миллиардов лет жизни планеты. Подобные выводы стали большой неожиданностью для ученых. 

С одной стороны, это может означать, что тектонические процессы и круговорот пород в литосфере запустились неожиданно поздно, лишь 2,5 миллиарда лет назад. Это, по мнению Парай, крайне сомнительно, учитывая существующие геологические свидетельства. С другой стороны, ученые не исключают того, что ксенон и другие газы просто не попадали в мантию по той причине, что недра Земли в первые эпохи ее жизни были гораздо горячее, чем мы считаем сегодня.

Это приводило к тому, что большая часть газов покидала породы коры еще до того, как они успеют погрузиться в глубинные слои мантии, что не позволяло атмосферному ксенону "перемешаться" с подземными запасами этого газа и изменить их изотопный состав. Примерно 2,5-2,4 миллиона лет назад они резко охладились, причину чего еще предстоит выяснить.

Вне зависимости от того, какая из теорий будет верна, и та, и другая интерпретация этого открытия заметно меняют наши представления об облике ранней Земли и тех условиях, в которых возникли первые живые организмы, заключают авторы статьи.