Геологи, представляющие международную группу, зафиксировали в Папуа — Новой Гвинее обнаружение горной породы, которая приблизительно 4,4 миллиона лет назад оказалась на глубине свыше 90 километров и впоследствии поднялась обратно на поверхность. Проведенный анализ минералов выявил нетипичную историю нагрева: уже на отметке в 45 километров глубина достигала температуры около 700 °C, а при дальнейшем погружении ещё минимум на 45 километров температура увеличилась лишь на 100 °C. Подобная динамика изменения температурных показателей оказалась неожиданной для действующих моделей движения тектонических плит.

Работа была выполнена специалистами Гёттингенского университета в Германии в сотрудничестве с учеными из Австралии, Соединенных Штатов и ряда других стран. В качестве объекта исследования был выбран образец эклогита, обнаруженный на острове Гуденаф, расположенном у восточного побережья Папуа — Новой Гвинеи. Данный тип горной породы формируется в условиях высокого давления и способен сохранять информацию о физических параметрах, действовавших на значительной глубине внутри Земли.

Примерно четыре-пять миллионов лет назад участок земной коры, подвергшийся изучению, оказался вовлечённым в процесс субдукции – погружения одной тектонической плиты под другую. С увеличением глубины порода испытывала возрастающее давление и нагрев, что приводило к трансформации её минерального состава. Впоследствии тектонические силы вернули этот участок на поверхность.

Для реконструкции траектории перемещения исследователи провели детальный анализ кристаллов граната, содержащих микроскопические включения различных минералов. Ключевую роль сыграло выявление частиц коэсита – редкой формы диоксида кремния, сохраняющей стабильность при экстремально высоком давлении. Наличие этих частиц подтвердило, что эклогит находился на глубине более 90 километров.

Определение возраста отдельных этапов преобразования горной породы осуществили с использованием уран-свинцового метода датирования кристаллов циркона. Дополнительный анализ химического состава минералов и термодинамические расчеты позволили оценить температурные показатели и давление на различных стадиях погружения.

Установлено, что на отметке около 45 километров глубина породы составляла приблизительно 700 градусов Цельсия и 1,5 гигапаскаля давления. При дальнейшем погружении до глубины свыше 90 километров давление превысило 2,9 гигапаскаля, в то время как температура увеличилась лишь до 800 градусов Цельсия. Таким образом, давление почти удвоилось, а изменение температуры оказалось относительно небольшим.

Полученное соотношение представлялось неожиданным. Общепринятые взгляды предполагают, что горные породы в зонах субдукции поддерживают умеренную температуру при погружении на значительную глубину, так как опускающаяся плита изначально характеризуется более низкой температурой по сравнению с окружающими слоями мантии. Представленный образец демонстрирует, что на начальных этапах погружения порода может подвергаться значительно интенсивному нагреву, чем это учитывается в действующих моделях.

Учёные рассматривают два вероятных объяснения данной ситуации. Первый вариант предполагает выделение дополнительного тепла вследствие трения и деформации пород на границе тектонических плит. Второй – что погружение происходило в молодой зоне субдукции, где температурный режим ещё не стабилизировался. Возможно, оба механизма действовали совместно.

Представленные данные не указывают на снижение температуры в земных недрах. В рассматриваемом случае температура продолжала расти, но значительно медленнее, чем увеличивалось давление. Описание перехода от «горячей» к «холодной» субдукции отражает изменение соотношения между температурой и давлением, а не реальное понижение температуры породы.

Исследователи полагают, что аналогичные температурные колебания могут наблюдаться и в других зонах субдукции. Более глубокое понимание этих процессов позволит доработать модели, описывающие движение тектонических плит, возникновение сейсмических явлений и вулканической деятельности, а также миграцию углерода между поверхностью Земли и её глубинными слоями.

Исследование опубликовано в журнале Nature Geoscience.