Алмазные фонтаны, извергающиеся из центра Земли, раскрывают затерянную историю суперконтинентов⁠⁠

Алмазы, кажется, достигают поверхности Земли в результате массивных извержений вулканов, когда распадаются суперконтиненты, и образуются, когда континенты соединяются.

В закате мелового периода, 86 миллионов лет назад, вулканическая трещина на территории нынешней Южной Африки ожила. Под поверхностью магма с высоты сотен миль поднималась вверх со скоростью автомобиля на автобане (если этот автомобиль мчался сквозь твердую породу), разжевывая камни и минералы и унося их к поверхности обратной лавиной.

Как это выглядело на первый взгляд, история утеряла, но, возможно, это было столь же драматично, как извержение Везувия. После себя он оставил ряд трубок в форме морковки, заполненных магматическими породами, под невысокими выветрившимися белыми холмами.

В 1869 году пастух, обнаруживший на близлежащем берегу реки огромный блестящий камень, превратил этот скромный пейзаж в позор. Скала представляла собой огромный алмаз, который в конечном итоге стал известен как Звезда Африки, а белые холмы скрывали то, что впоследствии стало шахтой Кимберли, эпицентром алмазной лихорадки в Южной Африке и, вполне возможно, самой большой ямой на Земле, когда-либо вырытой вручную.

Благодаря руднику Кимберли, который часто называют «Большой дырой», формации, в которых обнаруживаются алмазы , теперь известны как кимберлиты. Эти образования разбросаны по всему земному шару, от Украины до Сибири и Западной Австралии , но они относительно небольшие и редкие. Что делает их особенными, так это то, что их магма исходит очень глубоко. Остаются вопросы о том, насколько именно они глубоки, но известно, что они возникают из-под оснований континентов на границе горячей конвекционной мантии. Некоторые могут зародиться еще глубже, на границе верхней и нижней мантии.

Таким образом, эта магма проникает в очень глубокие и очень древние породы и взаимодействует с другими процессами, которые происходят только в недрах Земли, а именно с образованием алмазов. Чтобы кристаллизовать простой старый углерод в твердый, сверкающий алмаз, требуется большое давление, поэтому эти драгоценные камни формируются на глубине по меньшей мере 93 мили (150 километров) в самых глубоких слоях литосферы (научный термин, обозначающий кору и относительно жесткую верхнюю мантию). Некоторые из них, известные как сублитосферные алмазы, формируются еще глубже, на глубине около 435 миль (700 км). Кимберлиты во время своих извержений на поверхность ловят алмазы и утаскивают их в верхнюю часть коры, доставляя их относительно невредимыми, а иногда даже содержащими карманы жидкости из самой мантии.

Исследователи давно знали, что, когда тектонические плиты стираются друг под другом, они уносят углерод с поверхности на глубину, где он может кристаллизоваться в алмаз. Теперь они начинают понимать, что то, что падает, должно (иногда) подняться, и что это новое появление углерода — теперь спрессованного в сверкающие драгоценные камни — также связано с движениями тектонических плит. В частности, алмазы, похоже, извергаются, когда распадаются суперконтиненты.

«Хотя это разные процессы, алмазы и кимберлит вместе могут рассказать нам о жизненном цикле времен суперконтинента», — сказала Сюзетт Тиммерман , геолог из Бернского университета в Швейцарии, изучающая алмазы.

Выход на поверхность

Никто никогда не видел извержения кимберлитов своими глазами. За последние 50 миллионов лет их было очень мало, а самое последнее возможное извержение на холмах Игвиси в Танзании произошло более 10 000 лет назад. Мало того, основной материал кимберлита, минерал оливин, быстро выветривается на поверхности, говорит Хьюго Олирук , научный сотрудник Университета Кертина в Австралии.

Это затрудняет изучение кимберлитов. Ученые озадачены, например, химией первоисточника расплавленной породы в мантии, а также тем, как кимберлитам удается пробивать стабильные ядра того, что геологи называют «кратонами» — толстые внутренние части континентов, которые обычно сопротивляются разрушению.

Несколько недавних исследований предлагают новое объяснение того, почему это происходит. Первая подсказка – это время. Давно замечено, что импульсы активности кимберлитов, похоже, соответствуют приблизительному времени распада суперконтинента, сказала Келли Рассел , вулканолог из Университета Британской Колумбии в Канаде. Исследование 2018 года, проведенное Себастьяном Таппе , геологом из Арктического университета Норвегии, глобально взглянуло на это совпадение сроков и обнаружило, что оно соответствует действительности: около 1,2 миллиарда лет назад произошел всплеск извержений кимберлитов вокруг распада суперконтинента Нуна. назад до 1 миллиарда лет назад.

Согласно исследованию 2018 года, еще один импульс произошел между 600 и 500 миллионами лет назад и совпал с распадом суперконтинента Родиния, за которым последовал меньший импульс между 400 и 350 миллионами лет назад. Но самый плодотворный период, составляющий 62,5% всех известных кимберлитов, произошел между 250 и 50 миллионами лет назад. Этот диапазон совпадает с распадом суперконтинента Пангея . По мнению некоторых исследователей, это говорит о том, что циклы суперконтинентов имеют решающее значение для извержений кимберлитов.

«Распад этих континентов имеет фундаментальное значение для извлечения этих алмазов из этих глубоких глубин», — сказал Олирук в интервью Live Science.

Олирук и его команда недавно проанализировали возраст необычных розовых алмазов из формации в западной Австралии и обнаружили, что они, вероятно, вышли на поверхность около 1,3 миллиарда лет назад, в пределах окна распада Нуны . Новое открытие связывает наличие алмазов с растяжением континентальной коры, сказал Олирук.

«Именно эти силы растяжения позволяют этим маленьким очагам глубоко залегающей магмы подниматься наверх», — сказал он.

Марш кимберлитов

Однако сложный вопрос заключается в том, как это происходит. Чтобы получить кимберлит, есть два ключевых ингредиента: глубокая расплавленная порода, богатая флюидами, и разрушение континентов, которое может вывести этот расплав на поверхность. Никто не знает, что вызывает образование кимберлитового расплава, но химический состав кимберлитов сильно отличается от химического состава мантийных пород, из которых они плавятся. Кимберлиты также богаты летучими веществами, такими как вода и углекислый газ, что делает их такими плавучими и высокоскоростными. Они пробиваются сквозь корку, как шампанское через откупоренную бутылку, поднимаясь со скоростью до 83 миль в час (134 км/ч). Для сравнения: максимальная скорость магмы, вытекающей из вулканов в таких местах, как Гавайи, составляет около 13,5 миль в час (21,7 км/ч).

В исследовании, проведенном в августе 2023 года, использовалось компьютерное моделирование, чтобы выяснить, как кимберлиты могут прорваться сквозь недра континентов . Исследователи обнаружили, что ключевую роль сыграл процесс рифтогенеза, при котором континентальная кора распадается. Растяжение создает пики и долины как на поверхности, так и у подножия континента. У основания эти зазубренные края позволяют теплым материалам мантии подниматься, а затем остывать и опускаться, создавая водовороты. Эти водовороты смешивают материалы у подножия континентов, образуя пенистые, плавучие кимберлиты, которые затем могут взлететь к поверхности, неся с собой любые алмазы, с которыми они могут столкнуться на своем пути.

Этот процесс начался именно там, где континент раскалывался, но моделирование показало, что эти неровные области образования вихрей дестабилизировали соседние области кратона, создавая ту же самую динамику все ближе и ближе к недрам континента. Результатом стала система извержений кимберлитов, начинающихся вблизи рифтовой зоны, но постепенно переходящих в области стабильной коры. Этот медленный марш объясняет, почему импульсы кимберлитов не достигают пика до тех пор, пока не начнется большой распад, говорит Томас Гернон , геолог из Университета Саутгемптона в Великобритании, который руководил исследованием.

«Вы увидите, что эти пики кимберлитов возникают после распада крупных суперконтинентов», — сказал он. «Но это не просто одноразовый проект; это может продолжаться довольно долгое время после распада суперконтинента».

Кимберлиты могут быть довольно распространены у оснований континентов, сказал Таппе, чье исследование кимберлитов и расколов суперконтинентов в 2018 году пришло к тем же выводам, что и Гернон. Таппе и его команда обнаружили, что эти расплавы, возможно, были особенно заметными во время распада Пангеи, потому что мантия, которая медленно охлаждалась с момента затвердевания Земли, около 250 миллионов лет назад достигла той температуры, которая позволила доминировать расплавам кимберлитового типа. До этого периода породы в этом регионе, возможно, были слишком горячими, чтобы образовать ту комбинацию расплава и летучего материала, которая делает кимберлиты такими изверженными. Это может быть одной из причин, почему большинство кимберлитовых алмазных рудников датируются распадом Пангеи.

Сообщения в ромбе

Как свидетельствуют тусклые белые холмы, когда-то покрывавшие шахту Кимберли, сами кимберлиты мало что могут сказать о мантии, в которой они возникли. Они выветриваются в течение нескольких лет, теряя многое из того, что делает их интересными на химическом уровне. Однако с алмазами, содержащимися в кимберлитах, дело обстоит иначе. Они имеют свою историю формирования, не совпадающую с формированием самой кимберлитовой магмы. Но их случайные встречи на глубине сотен миль под поверхностью означают, что кусочки мантии, которые иначе никогда бы не увидели дневного света, могут попасть в руки человека.

Эти кусочки представляют собой микроскопические карманы жидкости, оставшейся с момента образования алмазов. Многие из этих «включений» датируются сотнями миллионов лет, а возраст некоторых экземпляров исчисляется миллиардами . Кроме того, некоторые из этих алмазов образуются очень глубоко в мантии, поэтому некоторые камни могут переносить материалы даже на границу между мантией и ядром.

«Только в кимберлитах мы можем увидеть образцы, добываемые с глубины 400 километров [250 миль] и даже до 2000 километров [1200 миль]», — сказала Майя Копылова, профессор разведки алмазов в Университете Британской Колумбии. «Никакая другая магма на Земле не делает этого».

Хотя извержение алмазов может проследить историю распада суперконтинента, их образование также может дать ключ к пониманию того, как континенты соединяются. В исследовании, опубликованном в октябре 2023 года в журнале Nature , Тиммерман изучил алмазы из Бразилии и Гвинеи, образовавшиеся на глубине от 186 до 434 миль (от 300 до 700 км). Датируя жидкие включения внутри алмазов, Тиммерман и ее коллеги подсчитали, что алмазы образовались около 650 миллионов лет назад, когда формировался суперконтинент Гондвана. Алмазы, вероятно, прилипли к основанию континента и оставались там на протяжении тысячелетий, пока Гондвана не распалась в меловой период и кимберлиты не вынесли их на поверхность, рассказал Тиммерман Live Science.

По словам Тиммермана, в этих сверхглубоких алмазах важно то, что они помогают объяснить, как растут континенты. Суперконтиненты образуются, когда океаническая кора проталкивается под континентальную кору. Этот процесс, называемый субдукцией, сближает два континента на противоположных сторонах океана. Эта же субдукция переносит углерод на глубину, где он может спрессоваться в алмаз.

В мантии кусочки этих погружающихся плит могут стать плавучими и подняться обратно вверх, неся с собой сверхглубокие алмазы, объяснил Тиммерман. Этот материал может прилипать к основаниям континентов на протяжении тысячелетий, помогая им расти снизу. Это также может объяснить, как алмазы на сверхглубокой глубине приземляются в месте, где их может поймать кимберлит.

«Глубинные алмазы могут рассказать нам больше о процессах субдукции, мантийной конвекции, взаимодействии жидкости и горных пород и других процессах, происходящих под земной корой во время циклов суперконтинента», — сказал Тиммерман.

Она добавила, что есть еще много вопросов, на которые нужно ответить. Например, ученые до сих пор не знают, как субдуцированные плиты меняют основания суперконтинентов и влияет ли это на продолжительность существования суперконтинента перед распадом. Другой открытый вопрос заключается в том, влияет ли этот переработанный материал земной коры на то, когда и где формируется кимберлитовая магма.

Древние алмазы могут также рассказать нам о других вехах хаотичной истории Земли.

По словам Олирука, некоторые алмазы выкованы из углерода, который был включен в состав Земли при ее формировании, в то время как другие образуются из углерода древней жизни, унесенного вниз вместе с плитами субдуцированной коры. Можно сказать, какой процесс сформировал алмазы, анализируя молекулярную структуру углерода внутри алмазных включений. Таким образом, эти включения могут хранить тайны о туманных цифрах в истории Земли, например, когда началась широкомасштабная субдукция или когда жизнь в океанах стала преобладать.

Но чтобы получить эти ответы, исследователям необходимо научиться лучше выяснять, сколько лет алмазам. И им понадобится больше алмазов, одновременно древних и добытых из самых глубоких глубин.

«Если вернуться в прошлое, от самого последнего распада суперконтинента до тех, что были до этого, — сказал Олирук, — я сильно подозреваю, что еще многое предстоит открыть».