Вскоре после формирования Земли, когда ее недра представляли собой магматический океан, на ее поверхности образовалась твердая кора. Эта хрупкая оболочка просуществовала недолго и была разрушена в результате астероидной бомбардировки. Обломки этой коры сохранились в древнейших континентальных кратонах. О развитии самой ранней коры известно немного, а ее состав остается предметом дискуссий. В новой работе ученые использовали анализ несовместимых рассеянных элементов для моделирования процессов, приведших к формированию первичной континентальной коры.
Установлено, что планеты, подобные Земле, пережили период существования магматического океана. Источником тепла для его формирования послужили продолжающаяся аккреция вещества и столкновения с астероидами. Из раскаленной магмы, температура которой достигала примерно 1000 градусов Цельсия, выделялись капли железа. Они опускались вниз и формировали ядро. Более легкие силикатные минералы поднимались к поверхности и застывали, формируя первую земную кору. В первые сотни миллионов лет существования Земли, в период с 4,5 до 4,4 миллиарда лет назад, эти процессы были широко распространены.
Согласно распространенной теории, изначальная кора Земли состояла из базальта, образовавшегося в результате плавления вещества, похожего на хондритовому. Это известно из анализа метеоритов.
Значительно меньше внимания уделялось рассеянным элементам протокоры, проявляющим сродство к кремнию (литофильным). Однако они являются важным индикатором материнского вещества, из которого сформировалась современная континентальная кора. Решение этой проблемы было принято учеными из Австралии, Великобритании и Франции. Их статья вышла в журнале Nature.
В отличие от традиционных методов, новое исследование смоделировало процесс образования протокоры из мантии после формирования ядра. Исследователи предположили, что при затвердевании магматического океана и росте ядра в нем сложились восстановительная среда. В результате разделения расплава выделилась железная фракция, остаточный ультраосновной расплав стал мантией, а небольшое количество легкого силикатного материала поднялось вверх, концентрируя несовместимые литофильные элементы по мере своего восхождения.
Благодаря новой модели стало возможным объяснить природу аномалий неодима-142. Этот редкоземельный элемент, относящийся к группе лантаноидов, сформировался из изотопа самария-146, период полураспада которого составляет 103 миллиона лет. Таким образом, он существовал лишь в ранний период формирования Земли. Система 146Sm-142Изучение Nd является ключевым для понимания раннего этапа развития планет земной группы, который практически не сохранился в геологической летописи.
В древних горных породах, обнаруженных на Земле, зафиксированы как отрицательные, так и положительные отклонения 142Nd указывает на неоднородность протокоры. Для объяснения этого предлагаются различные гипотезы, среди которых тектоника плит. Новая модель демонстрирует, что это не является обязательным условием: протокора обладала необходимыми характеристиками вне зависимости от наличия субдукции. Более того, первичная континентальная кора, в отличие от базальтовой, и обогащенная кремнием, должна была формироваться в первые сотни миллионов лет, что ранее не рассматривалось. Она могла послужить исходным материалом для пород архея, сохранившихся до наших дней.
Авторы статьи утверждают, что их модель позволила разрешить ряд нерешенных вопросов, в том числе объяснить наличие «следов субдукции» в цирконах формации Джек-Хиллз в Австралии, возраст которых составляет 4,3 миллиарда лет. Для этого необходимо предположить, что первоначальная кора подверглась переработке, а ее компоненты были вовлечены в последующий процесс формирования новой земной коры.