Неожиданная находка под морским дном раскрыла тайны рождения океанов

Исследователи, изучающие внутреннее устройство нашей Земли, обожают Тирренское море. Кора растянута и истончена настолько, что можно добраться до мантии. Своего рода «тектоническое окно» в недра планеты — и ее историю.

В ходе 402-й экспедиции Международной программы океанских открытий ученые пробурили морское дно, чтобы извлечь керны. Они ожидали поднять ультраосновные мантийные породы (например, перидотиты — плотные породы, богатые железом и магнием) и фрагменты океанической коры. Но вместе с ними неожиданно обнаружили светлые граниты.

«Когда мы впервые подняли граниты, все удивились: такие породы обычно ассоциируются с континентальной корой, а не с океанической или тем более с мантией. Но это было и интересно — я поняла, что они помогут нам восстановить события в этой разломной системе, как мы обычно не можем», — вспоминает геолог Эйрини Пулаки из Университета штата Луизиана (LSU).

Результаты исследования образцов опубликованы в Science Advances. Они тоже преподнесли несколько сюрпризов.

Граниты не были нетронутыми — часть из них несла следы деформаций, что указывало, во-первых, на тектоническую активность в зоне обнаружения, а во-вторых, на непосредственное участие в ней найденных пород.

Главный вопрос, который вызвала неожиданная находка: это древние фрагменты континентальной коры, оставшиеся после раскрытия бассейна, или они образовались прямо в процессе растяжения? Чтобы ответить на него, провели датировку гранитов уран-свинцовым методом.

Оказалось, граниты образовались около 4 миллионов лет назад — аккурат тогда, когда начал раскрываться сам бассейн.

Значит, граниты — не реликты древней коры. Они сформировались глубоко под растягивающейся корой и попали в мантию в процессе раскрытия бассейна. И это сослужило хорошую службу исследователям — двигаясь вверх, породы сыграли роль самописцев, сохранивших данные о температуре.

Химический состав минералов показал, что граниты изначально кристаллизовались при температурах около 600–700 °C глубоко под морским дном. Последующий микроструктурный анализ в паре с Ti-кварцевой термометрией выявил, что деформация пород продолжалась в меньшем пекле (около 450 °C), когда их срезало вдоль разлома и выносило вверх.

Сравнив возраст гранитов с возрастом осадков (3,5–3,6 миллиона лет), перекрывших их сверху, вычислили, что породы вышли из-под дна на поверхность менее чем за полмиллиона лет. Это соответствует скорости эксгумации около 2 см в год — очень быстро по геологическим меркам и совпадает с независимыми оценками скорости раскрытия бассейна на этой стадии растяжения.

«По сути, мы измерили скорость разлома. И он двигался очень быстро, на расчетных скоростях всей тектоники плит», — говорит Пулаки.

Совокупность данных о возрасте пород и температурах, которые они испытали, помогла восстановить геохронологическую картину. Горячая гранитная магма внедряется глубоко в литосферу; затвердевший гранит деформируется, когда разлом тянет его вверх; в конце концов осадки закрывают выбросы. Причем бóльшая часть движения была сконцентрирована вдоль одного главного детачмента — разлома сброса.

Полученные временные ограничения помогли ответить еще на один давний вопрос: что же на самом деле так сильно ослабляет эти разломы, позволяя им быстро выводить мантию на поверхность? Главной причиной тут предполагалась серпентинизация — химическая реакция мантийных пород с морской водой, снижающая их прочность.

Анализ стабильных изотопов в окружающих перидотитах показал, что серпентинизация произошла позже и при значительно более низких температурах — около 220–230 °C — после того, как граниты уже сформировались, деформировались, и бóльшая часть эксгумации уже свершилась.

Бо́льшую часть ранней работы проделали сами граниты — они локализовали деформацию вдоль детачмента, помогая ему оставаться активным и эффективно выводить глубинные породы.

«Он потенциально действует как смазка. Даже после застывания магмы гранит остается слабее окружающих пород, помогая концентрировать деформацию вдоль разлома», — объясняет геолог Брэндон Шак из LSU, соавтор статьи.

Считается, что океанические детачменты, такие, как изученный в Тирренском море, играют большую роль в формировании новой океанической литосферы в районах с ограниченным вулканизмом. Но до сих пор было непросто получисть убедительные подтверждения этой теории. Сохранив информацию о температуре, времени и механизмах деформации, прошедшие через мантию под Тирренским морем граниты стали таким доказательством.

«Никому раньше не удавалось прямо связать деформацию со временем в таких образцах. Мы смогли это сделать только благодаря уникальному литологическому набору — смеси мантийных пород и гранитов», — заключила исследовательница.

Результаты могут быть применимы и к другим регионам, где континенты раскалываются и зарождаются новые океаны.