В геологической истории существовало представление о земной поверхности и её глубинных слоях как о самостоятельных мирах. Ранее считалось, что процесс субдукции, заключающийся в погружении океанического дна в недра планеты, начался сравнительно недавно. Однако находки обломков вулканических пород, возраст которых значительно превышает возраст других пород, указывают на раннюю связь между этими слоями.
Вулканические породы, известные как коматииты, характеризуются образованием из лавы при температурах выше 1600°C, что значительно превышает возможности современных вулканов. Эти породы сформировались в архее, ранней эре Земли (4–2,5 миллиарда лет назад), когда температурные условия планеты были более экстремальными. Коматииты содержат уникальные химические индикаторы из глубин Земли, куда редко проникают другие породы.
Под руководством Чжэн-Ю Луна, учёного из Парижского института физики Земли, группа исследователей провела анализ 50 образцов коматиитов из различных регионов мира. Результаты данной работы были опубликованы в журнале Nature Communications. Наиболее древние извержения датируются 3,6 миллиарда лет назад и зафиксированы в Южной Африке, в то время как самые молодые датируются 89 миллионами лет назад.
Ключевым аспектом исследования является анализ изотопного состава калия. Калий представлен двумя стабильными изотопами, баланс которых изменяется при взаимодействии с водой. В коматиитах, отобранных с трёх участков, обнаружено повышенное содержание тяжёлого изотопа калия по сравнению с мантийными породами и морской водой. Это явление необычно, поскольку мантия должна занимать промежуточное положение по содержанию калия, а не находиться на его краях.
Исследователи исключили возможность влияния процессов выветривания, химического разложения и загрязнения континентальной корой, которые могли бы снизить содержание тяжёлого калия. Даже масштабные космические события, такие как формирование Луны, не могли существенно изменить распределение калия в мантии.
Одной из первоначальных гипотез было предположение о том, что тяжёлый калий представляет собой остаток ранних этапов развития планеты, заключённый в мантийном слое. Однако, помимо калия, коматииты содержат и другие элементы, характерные для той эпохи, такие как вольфрам и неодим, что привело к пересмотру данной гипотезы.
Полученные данные свидетельствуют о процессе субдукции, который заключается в погружении океанического дна в мантийный слой, что приводит к переносу поверхностных материалов на значительную глубину. В процессе нагревания погружающейся плиты выделяются высокотемпературные флюиды, которые обогащают мантию тяжёлым калием.
Три исследованных участка, включая древние лавовые поля в Южной Африке и Канаде, ранее выделялись повышенной влажностью. Недавние исследования показали, что некоторые из этих лав образовались из коры, насыщенной морской водой, которая могла быть перенесена в глубокие слои мантии. Наличие тяжёлого калия в коматиитах подтверждает данную гипотезу.
Передача сигнала от поверхности к глубинным слоям требует значительного времени. Вероятно, переработанный материал постепенно опускался на дно и оставался там на протяжении веков, прежде чем подняться обратно в виде раскалённых пород. Компьютерное моделирование показало, что в зонах повышенной влажности таяние происходит на значительной глубине, в пределах переходной зоны мантии, которая простирается на глубине от 400 до 660 километров.
На данный момент команда исследователей не может точно определить, находился ли тяжёлый калий уже на такой глубине или он был захвачен по мере подъёма лавы. Недавняя статья, посвящённая более молодым горным породам, также обнаружила наличие поверхностных вод, скрытых под современными территориями Азии.