В пустынном ландшафте Западной Австралии скалистые холмы, сформировавшиеся более трех миллиардов лет назад, дают геологам беспрецедентный взгляд на раннее прошлое нашей планеты. Эти скалы - самые древние в мире - содержат то, что, возможно, является самым древним прямым свидетельством движения тектонических плит.
Породы образовались при просачивании магмы из-под земной поверхности в ныне обветшавший океан, охлаждаясь и затвердевая в луковичную массу. Как подробно описано в новом исследовании Science Advances, магнитные сигнатуры, сохранившиеся в породе, позволяют предположить, что этот регион простирался по планете 3,2 миллиарда лет назад со скоростями, сходными с тектоническими плитами сегодня - всего на полмиллиарда лет раньше, чем это было доказывает предыдущая история такого движения.
"Это своего рода дымящийся пистолет", - говорит геохимик Энни Бауэр из Университета Висконсин-Мэдисон, которая не участвовала в новом исследовании.
Сегодня тектонические плиты Земли постоянно перемещаются и мигрируют - процесс, который создает горы, вырезает бассейны и приводит к извержениям вулканов. Эти движения сформировали различные экологические ниши, включая гидротермальные жерла на дне моря и кипящие на поверхности воды - типы среды, в которой, как полагают, сформировалась жизнь.
"Соединяя воедино историю тектоники плит, мы помогаем собрать воедино историю нашего собственного происхождения", - говорит ведущий автор исследования Алек Бреннер, аспирант Гарвардского университета.
Охота на древние камни
Наша планета коалесцировала из закрученного облака газа и пыли около 4,5 миллиардов лет назад, и поначалу было жарко. Океаны из расплавленных пород светились на поверхности, а вулканы, скорее всего, плевали лавой в воздух. Но Земля вскоре начала остывать, и за десятки миллионов лет поверхность затвердела в кору.
Ученые считают, что эта ранняя кора была своеобразной крышкой, обволакивающей планету, точно так же, как и поверхность Марса сегодня. В какой-то момент - примерно от четырех миллиардов до миллиарда лет назад - эта крышка разорвалась на глобальную кору, части которой врезались друг в друга и загоняли камни в мантию или вверх в небо. Родились тектонические плиты.
Но очень мало известно о том, как и когда произошел этот переход. Тектонические плиты постоянно перерабатывают земную породу, плавя кору и выкапывая свежую лаву, что стирает свидетельства далекого прошлого. "В основном, первая половина истории Земли сегодня представлена лишь около 5 процентами поверхностных пород", - говорит Бреннер.
Многие исследования тектоники ранних плит делают вывод о движении, выявляя химические ключи, например, состав древних минералов, указывающих на образование в зонах субдукции, где одна тектоническая плита погружается под другую. Но для картирования движения плит ученые должны использовать и другие меры, такие как сохранение магнитных признаков пород.
В 2016 году будущий советник Бреннера в Гарварде палеомагнетик Роджер Фу начал просматривать карты Австралии в поисках древних пород, где он мог бы использовать эти магнитные отпечатки пальцев для прямого измерения раннего дрейфа земной коры. Фу и его коллега в конце концов пришли на сайт: базальт Ханиетер в Западной Австралии. Летом 2017 года Бреннер и Фу отправились в австралийскую глубинку, чтобы выследить скалы, возраст которых составляет 3,2 миллиарда лет.
Они пробурили около ста кернов породы из различных частей обнажения, отмечая положение и ориентацию каждого из них и объединяя их с более чем сотней ранее собранных образцов. Вернувшись в лабораторию, они проанализировали магнитные сигнатуры каждого образца, закодированные в минералах, богатых железом, которые ориентируются, как крошечные компасные иглы, когда они кристаллизуются.
После учета изменений в положении горной породы с момента ее образования - процесса, известного как тест на сгибание - компасные иглы все выровнялись, что позволяет предположить, что они представляли собой истинную древнюю магнитную подпись горной породы. "Может быть, мы что-то замышляем", - вспоминает Фу.
Тектонические истоки
Команда сравнила рассчитанное положение базальта Honeyeater с ранее проанализированным обнажением горной породы поблизости, которое немного старше и содержит более раннюю магнитную подпись. Анализ показал, что кора в момент формирования этих пород смещалась примерно на 2,5 сантиметра каждый год.
Эта скорость "была бы совершенно обычной для тектонических плит, подобных тем, что мы имеем на современной Земле", - говорит Бреннер.
Движение могло произойти в то время, когда Земля еще была покрыта одной крышкой земной коры, хотя скорость была бы выше, чем ожидалось бы, если бы это было так". Вместо этого находка намекает на то, что чуть более миллиарда лет спустя после образования нашей планеты тектоника плит могла бы уже взлететь вверх.
Однако свидетельства из этого места не обязательно означают, что плиты перемещались по всему миру, говорит Бреннер. Тектоника плит, скорее всего, начиналась и начиналась с того, что кора разваливалась и двигалась в одних местах раньше, чем в других.
"Это может быть своего рода непоследовательным процессом", - говорит Бауэр, который недавно опубликовал исследование, демонстрирующее неравномерное начало ранних движений тарелок.
Механизм этого раннего движения также неясен, говорит палеомагнетик Джон Гайссман из Техасского университета в Далласе, который не участвовал в новом исследовании. Одной из основных движущих сил современной плиты является перетягивание скальных плит при их погружении в мантию в зонах субдукции. Но миллиарды лет назад могли быть и другие процессы, такие как поднятие шлейфов магмы, разбивающих скалы на части на поверхности.
Если эти ранние сдвиги 3,2 миллиарда лет назад действительно были началом тектонических плит, то они указывают на удивительно раннее начало геологической извилины Земли, которая была поворотным моментом в эволюции жизни в том виде, в котором мы ее знаем. Тектонические плиты действуют как планетарный термостат, циклически перемещая парниковые газы из глубин Земли в атмосферу. Они приводят в движение вулканические извержения, которые выкапывают свежие питательные вещества из глубин земли. Возможно, это даже сыграло свою роль в переносе кислорода в небо.
Понимая происхождение тектонических плит, "вы можете попытаться определить время событий, которые имели решающее значение для развития жизни на этой планете", - говорит геохимик Вэл Финлэйсон из Университета Мэриленда, который не участвовал в этом исследовании.
Для этого ученые продолжают обыскивать землю в поисках новых признаков древнего движения.