Африка распадается на части: где формируется новая граница тектонических плит и будущий океан

Геологическая структура Земли непрерывно изменяется. Твердая оболочка нашей планеты состоит из тектонических плит, которые постоянно движутся, сталкиваются и разделяются. Наиболее известным примером разделения континентальной коры является Восточно-Африканская рифтовая система — гигантский разлом, который постепенно раскалывает Африку на две части. Этот процесс сопровождается активным вулканизмом и частыми землетрясениями, поэтому его легко наблюдать.

Однако не все тектонические разломы проявляют себя столь очевидно. Международная группа исследователей из Оксфордского университета, Университета Альберты и Университета Торонто опубликовала в научном журнале Frontiers in Earth Science результаты многолетней работы. Ученые доказали, что к юго-западу от известного восточноафриканского разлома формируется еще одна глобальная структура — Юго-Западная рифтовая зона. Она пересекает континент и ведет к масштабной перекройке геологической карты мира. Главным доказательством этого процесса стали не сейсмические данные или спутниковые снимки, а точный химический анализ газов, поднимающихся из подземных термальных источников.

Проблема обнаружения ранних разломов

Процесс разделения континентов начинается задолго до того, как на поверхности образуются видимые трещины или вулканы. На самых ранних стадиях древняя и стабильная часть земной коры начинает медленно растягиваться под воздействием тепла, идущего из глубины планеты, от мантии. Нижняя часть коры истончается, в ней появляются микроскопические повреждения и глубокие разломы. При этом на поверхности все может выглядеть совершенно спокойно: нет извержений, а землетрясения настолько слабы, что их фиксируют только высокочувствительные приборы.

Именно такая ситуация наблюдается в центральной части Африки, на территории Замбии, в районе так называемого рифта Кафуэ. Геофизики давно предполагали, что через эту территорию может проходить скрытая граница между тектоническими плитами. На это указывали косвенные признаки: особенности рельефа, незначительные гравитационные аномалии и наличие горячих подземных вод. Но для подтверждения этой гипотезы не хватало прямого доказательства того, что земная кора здесь прорвана до самой мантии.

Чтобы найти это доказательство, геологам пришлось изучить газы, которые выделяются из природных горячих источников и геотермальных скважин. Ученые собирали пробы газа прямо из пузырящейся воды как внутри предполагаемой зоны разлома, так и на значительном удалении от нее, чтобы сравнить результаты.

Изотопы гелия как индикатор связи с глубинными слоями Земли

Главным инструментом в этом исследовании стал анализ изотопов гелия. Изотопы — это разновидности одного и того же химического элемента, которые отличаются друг от друга массой ядра. В геологии соотношение различных изотопов позволяет точно определить, откуда именно взялось вещество.

Гелий на Земле существует в основном в двух формах: Гелий-4 и Гелий-3. Гелий-4 постоянно образуется в земной коре прямо сейчас. Этот процесс происходит из-за естественного распада радиоактивных элементов, таких как уран и торий, которые содержатся в горных породах. Поэтому наличие Гелия-4 в подземных водах — это абсолютно стандартная ситуация.

С Гелием-3 дело обстоит иначе. Это реликтовый газ, который оказался заперт глубоко в мантии Земли еще во время формирования планеты миллиарды лет назад. Гелий-3 практически не образуется в земной коре. Соответственно, если ученые фиксируют на поверхности аномально высокую концентрацию Гелия-3, это означает только одно: под этой территорией существует прямой, глубокий канал, по которому газы поднимаются из мантии наверх.

Анализ проб, собранных в источниках рифта Кафуэ, показал, что концентрация мантийного Гелия-3 в них превышает норму для земной коры в восемь раз. Дополнительным подтверждением стал анализ углекислого газа: соотношение изотопов углерода в нем также строго соответствовало параметрам, характерным для газов из земной мантии.

Чтобы исключить ошибку, исследователи проверили контрольные источники, расположенные в 50 и 150 километрах от зоны разлома, на территории старой, стабильной земной коры. В этих пробах мантийного гелия не оказалось вовсе — газ там имел исключительно коровое происхождение. Это доказало, что выход глубинных газов происходит не повсеместно, а точно вдоль линии формирующегося тектонического разлома.

Химический состав газов и фильтрация грунтовыми водами

На поздних стадиях разделения континентов, когда магма поднимается близко к поверхности, основным газом, выходящим из-под земли, становится углекислый газ. Однако в замбийских источниках исследователи обнаружили совершенно иное. Основной объем выделяемого газа там составляет азот (от 84,4% до 97,6%), к которому примешан гелий. Углекислый газ присутствует, но в гораздо меньших объемах (до 15%).

Ученые объясняют этот факт физико-химическими процессами, которые сопровождают именно ранние стадии образования разломов. По мере того как мантия начинает подогревать земную кору снизу, горные породы подвергаются термическому воздействию. Это тепло заставляет древние породы отдавать накопленные в них газы, в первую очередь азот и радиогенный Гелий-4. Одновременно из мантии по глубинным разломам поднимаются Гелий-3 и мантийный углекислый газ.

Но на пути к поверхности эти газы встречают препятствие — мощные слои подземных грунтовых вод. Углекислый газ обладает свойством очень хорошо растворяться в воде. Проходя через подземные водоносные горизонты, большая часть мантийного углекислого газа растворяется и остается под землей. Азот и гелий практически не растворяются в воде, поэтому они проходят сквозь подземные резервуары без потерь и выходят на поверхность. Именно этот механизм объясняет текущий химический состав источников и подтверждает, что процесс раскола континента находится в начальной стадии, когда тепловые потоки уже есть, но массивного подъема магмы еще не произошло.

Географические последствия и новая тектоническая карта

Полученные данные имеют прямое влияние на понимание того, как устроена Земля сегодня. Подтверждение мантийного газового потока в Замбии означает, что Восточно-Африканская рифтовая система не обрывается на юге континента.

Деформация земной коры продолжается через центральную Африку, образуя непрерывную линию длиной около 2500 километров. Эта линия протянулась от Танзании через рифты Луангва и Кафуэ в Замбии, уходит в Ботсвану (рифтовая система Окаванго) и достигает Намибии. Геологически это означает, что гигантская Африканская плита раскалывается не просто на две, а на несколько частей. На юго-западе формируется обособленная микроплита, получившая название Сан (San Plate), которая в данный момент физически отделяется от основной Нубийской плиты. Эта сеть разломов в будущем может соединить систему восточноафриканских рифтов со Срединно-Атлантическим океаническим хребтом.

Значение для промышленности и поиск новых ресурсов

Территории раннего континентального раскола обладают уникальными физическими условиями, которые делают их крайне перспективными для добычи ценных ресурсов. В первую очередь речь идет о гелии и природном водороде.

Гелий — критически важный ресурс для современной высокотехнологичной промышленности. Он используется для охлаждения сверхпроводящих магнитов в аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ), при производстве полупроводников, оптоволокна, а также в аэрокосмической отрасли. В настоящее время мир сталкивается со снижением запасов гелия, так как традиционные месторождения истощаются. Природный водород, залегающий в недрах, рассматривается как один из главных энергоносителей будущего, поскольку при его сжигании выделяется только вода, что делает его полностью экологически чистым.

Проблема добычи этих газов заключается в сложности их сохранения под землей. В зонах активного вулканизма и зрелых рифтов газы слишком быстро выходят на поверхность или растворяются в гигантских объемах вулканического углекислого газа, что делает их добычу экономически нецелесообразной. В старых стабильных частях земной коры газы накапливаются, но там нет механизмов для их высвобождения и концентрации.

Ранние стадии рифтогенеза, подобные тем, что описаны в Замбии, представляют собой идеальный компромисс. Тепловой поток от мантии заставляет гелий и водород выделяться из древних горных пород. При этом сейсмическая активность в регионе остается низкой. Слабые землетрясения создают сеть глубоких трещин, по которым газы поднимаются вверх, но не разрушают плотные верхние слои пород, служащие «покрышкой». В результате гелий и водород не рассеиваются в атмосфере, а скапливаются в подземных резервуарах в чистом виде, так как основная часть мантийного углекислого газа поглощается водой.

Таким образом, подтверждение существования Юго-Западной рифтовой зоны не только описывает механизм раскола Африки, но и предоставляет геологам и промышленным компаниям четкие критерии для поиска новых, экономически рентабельных месторождений важнейших газов на планете. Тщательное изучение геохимического состава грунтовых вод дает возможность обнаруживать глубинные процессы, которые не поддаются прямой визуальной или сейсмической фиксации.

Источник: Frontiers in Earth Science