Российские ученые приблизились к пониманию природы химической и изотопной неоднородности мантии Земли

1 ноября 2022

Ученые исследовали горные магматические породы — базальтовые стекла — Срединно-Атлантического хребта и получили новую информацию, важную для понимания масштаба и причин химической и изотопной неоднородности мантии Земли. Они пришли к выводу, что взаимодействие магматической и гидротермальной систем в осевых зонах срединно-океанических хребтов может быть основным механизмом, приводящим к вариациям изотопного состава благородных газов и азота в базальтовых стеклах.

 

Исследование провели ученые подведомственного Минобрнауки России Института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского (ГЕОХИ РАН).

 

Земля состоит из земной коры, мантии и ядра. На мантию приходится более половины массы планеты и около 80 % ее объема. Происходящие в мантии процессы приводят в движение континенты, вызывают землетрясения и связанные с ними цунами, контролируют вулканическую активность. Новое исследование ученых ГЕОХИ РАН дает ключ к пониманию структуры, состава и эволюции мантии Земли и ее взаимодействия с другими глобальными резервуарами, в частности гидросферой.

 

Горные магматические породы — стекла базальтов, которые стали основным объектом исследования ученых, образовались при подводных излияниях базальтов в осевой зоне Срединно-Атлантического хребта в районе 16°07’—17°11’ с. ш. (рис. 1). В ходе изучения были получены высокоточные данные по изотопному составу аргона и азота, а также информация по содержаниям аргона (Ar), азота (N), гелия (He) и углекислого газа (CO2) в газовых пузырьках, захваченных закалочными (стеклянными) корками базальтов при их излиянии на океаническое дно (рис. 2).

 

Изучение системы элементов He-Ar-CO2 показало ведущую роль процесса дегазации (отделения газов от расплава с образованием газовых пузырьков) на формирование отношений этих газов в пузырьках. Корреляция изотопных и элементных отношений азота и аргона указала на смешение между глубинным (мантийным) и поверхностным компонентами.

 

Углерод (CO2) — азотная систематика показала, что наиболее вероятным источником изотопно-тяжелого (поверхностного) азота стало органическое вещество, попавшее в расплав.

 

Наконец, строгая взаимосвязь между изотопным составом Ar и N и концентрациями Cl, H2O и K в изученных образцах наряду с детальным анализом взаимоотношений MgO, K2O, H2O и Cl позволили предположить, что загрязнение магматических расплавов поверхностными благородными газами и органическим азотом происходило в результате их взаимодействия с высокосолеными гидротермальными рассолами (нагретыми водно-солевыми растворами, циркулирующими в океанической коре).

 

Такое взаимодействие могло произойти в промежуточной магматической камере, где уже частично дегазированный расплав продолжил подниматься на поверхность, выделяя все новые порции газовых пузырьков. Последние и были захвачены закалочными стеклами базальтов.

 

По словам автора научной работы, кандидата геолого-минералогических наук, старшего научного сотрудника лаборатории изотопной геохимии и геохронологии ГЕОХИ РАН Алексея Буйкина, проведенное исследование в новом свете объясняет природу гетерогенности (неоднородности) состава благородных газов и азота в базальтах срединно-океанических хребтов (MORB). Авторы предполагают, что выявленный механизм контаминации может быть универсальным и во многом ответственным за наблюдаемые вариации изотопного состава ряда высоколетучих элементов в стеклах MORB. Этот аспект должен учитываться при составлении баз данных и моделей эволюции мантии Земли, основанных на использовании изотопного состава благородных газов и азота.

 

Исследование поддержано Минобрнауки России. Результаты исследований опубликованы в одном из международных научных журналов.