Благородные газы в мантии и коре

Происхождение и распределение благородных газов в мантии и коре

Благородные газы — гелий, неон, аргон, криптон и ксенон — представляют собой уникальные геохимические индикаторы, сохраняющие первичную информацию о процессах формирования Земли, дегазации мантии и взаимодействиях между различными оболочками планеты. Их инертность и устойчивость к химическим реакциям позволяют использовать изотопный и элементный состав этих газов для реконструкции истории мантии и коры, а также динамики геологических процессов.

Источники и формы существования благородных газов в недрах Земли

Главными источниками благородных газов в мантии являются:

Первичные (примордиальные) компоненты, унаследованные от солнечной туманности при аккреции планеты;
Радиогенные изотопы, образующиеся в результате радиоактивного распада элементов в уран-ториевых и калиевых сериях;
Космогенные изотопы, возникающие под воздействием космических лучей в верхней коре и атмосфере.

В мантии благородные газы существуют в минеральной решётке оливина, пироксенов и шпинели, а также в межзерновых флюидных включениях. В коре они накапливаются в результате миграции из мантии и радиоактивных процессов, чаще всего ассоциируясь с зонами тектонических разломов, магматическими телами и осадочными ловушками.

Изотопные системы благородных газов как индикаторы геохимических резервуаров

Изотопный состав благородных газов позволяет различать геохимические резервуары и определять их происхождение:

Гелий: соотношение ^3He/4He служит основным критерием для различения мантийных и коровых источников. Высокие значения (6–10 Rₐ, где Rₐ — атмосферное отношение) характерны для нижней мантии и срединно-океанических хребтов, в то время как низкие значения (<0,1 Rₐ) отражают радиогенное происхождение ^4He, типичное для коры.
Неон: изотопные отношения ^20Ne/22Ne и ^21Ne/22Ne позволяют выделять вклад солнечного, мантийного и космогенного компонентов.
Аргон: соотношение ^40Ar/36Ar характеризует степень радиогенного накопления аргона от распада ^40K и используется для оценки возраста и закрытости геохимических систем.
Криптон и ксенон: изотопные аномалии в их составе отражают древние процессы — например, разделение летучих компонентов в ранней истории Земли или дегазацию в ходе дифференциации мантии.

Мантийные резервуары благородных газов

В мантии выделяют несколько областей с различными изотопными характеристиками:

Деплетированная мантия (DM), связанная с зонами спрединга срединно-океанических хребтов, характеризуется высокими значениями ^3He/4He и низким содержанием радиогенных изотопов.
Обогащённая мантия (EM-I и EM-II) демонстрирует более низкие отношения ^3He/4He, что связано с включением переработанных осадочных и коровых материалов.
Плюмовая мантия (HIMU) имеет повышенные значения ^206Pb/204Pb и ^40Ar/36Ar, указывающие на вовлечение древнего океанического корового вещества.

Изучение соотношений благородных газов в базальтах океанических островов (OIB) и срединно-океанических базальтах (MORB) позволило установить, что глубинные резервуары мантии сохраняют первичное изотопное разнообразие, неравномерно распределённое вследствие неоднородной дегазации и конвекции.

Процессы дегазации и перераспределения благородных газов

Дегазация мантии происходит преимущественно при магматических процессах. При подъёме магмы давление уменьшается, что вызывает высвобождение растворённых газов. Благородные газы при этом концентрируются в пузырьках, которые могут покидать расплав или захватываться в минеральные включения.

В коре происходит вторичная миграция благородных газов, связанная с трещиноватостью, диффузией и гидротермальной циркуляцией. Радиогенные изотопы (^4He, ^40Ar) образуются непрерывно и постепенно высвобождаются из минералов в поровое пространство и далее в атмосферу.

Аргон и гелий как геохронологические индикаторы

Изотопы аргона и гелия широко используются в термохронологии.

Метод K–Ar и Ar–Ar позволяет определять время закрытия минералов для диффузии аргона, фиксируя моменты охлаждения геологических тел.
Метод U–Th/He основан на накоплении ^4He в минералах, содержащих уран и торий, и чувствителен к более низким температурам, что делает его эффективным для анализа поздних этапов тектонической эволюции.

Такие исследования позволяют проследить историю дегазации мантии и циркуляции флюидов в земной коре.

Роль коры в переработке и удержании благородных газов

Континентальная кора является важным буфером для радиогенных благородных газов. Здесь происходит их накопление и постепенное высвобождение в атмосферу. В глубоких осадочных бассейнах аргон и гелий могут сохраняться в течение миллиардов лет, особенно в ловушках, связанных с углеводородными резервуарами.

В зоне активного магматизма кора становится каналом передачи мантийных газов на поверхность. Это подтверждается повышенными значениями ^3He/4He в вулканических газах и горячих источниках. Таким образом, взаимодействие мантии и коры контролирует общий поток благородных газов на поверхность и определяет химическую эволюцию атмосферы.

Глобальный баланс и геодинамическое значение

Совокупность изотопных данных благородных газов указывает, что Земля не достигла полного изотопного равновесия с момента своего формирования. Различия между мантийными и атмосферными отношениями изотопов показывают, что дегазация и рекомбинация происходили неоднократно и неравномерно.

Мантийные плюмы доставляют глубинный гелий с высокими значениями ^3He/4He, отражающими остаточное вещество нижней мантии, слабо дегазированной с архея. Напротив, коровые и литосферные зоны характеризуются сильным радиогенным обогащением, что связано с длительным распадом урана, тория и калия.

Изучение благородных газов в мантии и коре является ключом к пониманию эволюции летучих компонентов Земли, динамики мантии и процессов дегазации, определяющих химическую историю планеты.