По расчётам американских учёных, если б не периодическое понижение тектонической активности в океане, Земля должна была остыть как минимум около 1-го млрд годов назад (иллюстрации с веб-сайта wikipedia.org).
На данный момент каждый школьник знает, что оболочка Земли неоднородна и состоит из относительно цельных плит, находящихся в неизменном движении. Но механизмы, управляющие тектонической активностью, очень непростая штука.
Невзирая на всё изящество и логичность концепции "одни плиты раздвигаются, а другие сталкиваются", в каждом определенном случае геофизические процессы настолько заковыристы, что детально обрисовать, к примеру, образование горных цепей – задача не из лёгких.
Оболочка Земли именуется литосферой. В неё входят твёрдая кора и самая прохладная, вязкая часть верхней мантии. Континентальная и океаническая оболочки различаются. Если упрощённо, они представляют собой граниты и базальты. Некие платформы сложены только океанической корой, другие состоят из блока континентальной, "впаянного" в океаническую. Ах так это смотрится в цифрах: мощность континентальной литосферы составляет от 40 до 200 км (а по неким оценкам до 400), в том числе кора – от 30 до 50 км; мощность океанической литосферы – от 50 до 100 км, в том числе кора – от 7 до 10 км. Отметим, что данные эти ориентировочные и в дальнейшем могут уточняться (иллюстрация U.S. Geological Survey).
Ну и утвердилась "мобильная" точка зрения относительно не так давно – в 1960-х и 1970-х. Ранее властвовали "стационарные" представления. К примеру, горы, согласно распространённой ещё сначала XX века догадке, рождались подобно морщинам на сушёном яблоке – по мере остывания коры.
Потом появился ряд других теорий, но они все так либо по другому отторгали саму возможность движения материков. Даже призывы сопоставить полосы побережья Африки и Южной Америки, складывающиеся, казалось бы, в тривиальный пазл, не производили никакого воспоминания на официальную науку.
Основным основанием для скептицизма было отсутствие видимой предпосылки дрейфа континентов: сила, толкающая их, должна быть громадна. Но в чём её источник?
Более больших плит восемь: Северо-Американская, Евразийская, Южно-Американская, Африканская, Индостанская, Австралийская, Антарктическая и Тихоокеанская. Самостоятельность "мегаплит" в целом не вызывает колебаний, но их границы не всюду являются конкретными. Наикрупнейшие платформы в базе собственной имеют древнейшие ядра – кратоны, которые появились на заре тектонической активности. Сибирь, к примеру, один из таких "нуклеаров". Для нас основное значение имеет разделение литосферы на материки и океаны, но оно далековато не всегда совпадает с делением литосферы на плиты (иллюстрации с веб-сайтов learner.org, wikipedia.org).
Разгадка пришла из океана. Подробная карта его рельефа выявила огромные подводные хребты (общая протяжённость более 60 тыщ км), на которых, в свою очередь, были обнаружены следы юный по геологическим меркам породы.
Оказалось, что земные недра пронизаны конвективными потоками, по которым происходит перемещение мантийного вещества. А главным источником энергии этих течений служит разность температур жаркого ядра (порядка 5000 °C) и прохладной поверхности.
Последующие исследования позволили более детально сконструировать главные предпосылки движения плит. Их оказалось две. Точнее, одна, но о 2-ух лицах.
Когда океанические плиты сталкиваются – меж собой, или с континентальными – одна из их "подныривает" под другую. В последнем случае "победителем", за очень редчайшими исключениями, становится континент. Этот процесс и именуется субдукцией. Уходящая вниз плита попадает в жаркую область мантии и тоже греется, размягчаясь при всем этом. Расплавленная порода прорывается наружу, деформируя высшую часть литосферы (иллюстрация с веб-сайта wikipedia.org).
Во-1-х, это подъём расплавленной породы в районах срединно-океанических хребтов, её застывание и следующее соскальзывание вниз, сопровождаемое расширением дна, – "спрединг".
Во-2-х, это компенсирующее погружение прохладных плит вниз на границе с другими платформами – "субдукция" либо пододвигание 1-го участка литосферы под другой.
Современность – частица в геологической истории Земли. Древний отысканный минерал датируют периодом около 4,4 млрд годов назад, другими словами на самом деле ещё догеологической (в современном представлении) эрой — Катархеем (иллюстрация с веб-сайта wikipedia.org/MEMBRANA).
Практически это единый механизм, результатом которого является типичный круговорот мантии в природе, увлекающий за собой континенты и океаны – за счёт вязкости, также результирующего бокового давления смежных платформ.
Тектоническая теория получила скорое доказательство с открытием магнитных аномалий океанического дна. Дело в том, что при застывании вулканических пород в их сохраняется остаточная намагниченность, другими словами ориентация железных частиц повдоль силовых линий магнитного поля.
Распаковав этот "архив", геофизики вернули положение полюса относительно каждой плиты на различные моменты времени. И, объединив приобретенные данные с информацией по датировке пород, реконструировали историческую последовательность перемещений материков.
Величавая картина геологического прошедшего нашей планетки открылась взгляду учёных.
Дрейф континентов начиная с периода 600 миллионов годов назад и по сей день. Формирование Земли в её современном виде началось, когда старый суперконтинент Пангея стал распадаться на части около 200 миллионов годов назад (иллюстрация Ron Blakey/Northern Arizona University/MEMBRANA).
Формирование континентальной литосферы началось около четырёх млрд годов назад (либо даже ранее), другими словами с задержкой примерно на 500–600 миллионов лет по отношению к моменту появления самой Земли.
С того времени шло последовательное (но неравномерное) наращивание массы коры прямо до её современных размеров. Лучше всего образование твёрдой поверхности происходило в позднем архее, около 2,6 млрд годов назад, когда в недрах нашей планетки совсем выделилось ядро.
Восстановление прошедших перемещений плит перевоплотился в одно из популярнейших занятий. Положение материков и блоков, из которых они сформировались, было с различной степенью детальности реконструировано прямо до архея.
Популярная нам сейчас тектоника появилась, по воззрению ряда учёных, в позднем протерозое. Ранее мантия, может быть, имела иную структуру, в какой не было устойчивых конвективных потоков (иллюстрация Ron Blakey/Northern Arizona University).
При всем этом исследователи выявили увлекательную закономерность: материковые щиты временами сбивались в кучу – каждые 400-600 миллионов лет. Это примерно совпадает с числом конвективных циклов, другими словами периодов, за которые всё вещество мантии по последней мере один раз успело стопроцентно "прокрутиться" – средством субдукции и спрединга.
Первым из "найденных" суперконтинентов стала Пангея, существовавшая 250-200 миллионов годов назад. В итоге её распада и образовались современные материки.
Отметим, вобщем, что более-менее достоверную палеомагнитную реконструкцию можно провести за относительно маленькое по геологическим меркам время – как раз до возраста Пангеи. С более ранешними периодами дело обстоит несколько туманнее.
Пангея раскололась на Лавразию (севернее) и Гондвану (южнее), дав начало Атлантическому океану. Кстати, заглавие "Пангея" (практически "все земли") выдумал родоначальник тектонической теории Альфред Вегенер (Alfred Wegener). Это ему никто не веровал всю первую половину XX века (иллюстрация Ron Blakey/Northern Arizona University).
Всего суперконтинентов насчитывают около 10-ка (в том числе неполных, но всё равно больших), и иногда некие учёные оперируют разными наименованиями 1-го и такого же "гиганта". Но даже с признанными континентами не всё просто.
Взять, например, Родинию, существование которой около 1-го млрд годов назад не вызывает вопросов практически у всех профессионалов. Выдвигается масса догадок о том, как она смотрелась. Причём несколько главных гипотез в одинаковой мере принимаются к рассмотрению научным обществом.
Но, невзирая на всю многочисленность версий и теорий, одну из главных заморочек геологической эволюции до сего времени внушительно разъяснить не удавалось никому. Речь идёт термический погибели Земли.
Суперконтинент Родиния предположительно начал формироваться около 1,1 млрд годов назад и распался приблизительно 750 миллионов годов назад. Кстати, заглавие "Родиния" происходит от российского "Родина" (Li et al.).
Большая часть геофизиков держится точки зрения, согласно которой около 90% "конвекционной" энергии генерируется за счёт остывания ядра, 10% — за счёт распада радиоактивных частей в нём и около 1% — за счёт приливных возмущений.
Анализ геологической истории мантии показал, что главные утраты тепла всегда происходили через океаническую кору – средством субдукции и спрединга. Другими словами де-факто интенсивность конвективного термообмена можно приравнять к уровню тектонической активности.
Итак вот, по всем расчётам выходило, что Земля должна была остыть издавна. Но этого не вышло. Почему же мы ещё не промерзли, как цуцики?
Суперконтинент Пангея появился в итоге сокращения внутреннего океана Япетус, а Родиния, напротив, наружного старого океана. Тихий океан, который сокращается на данный момент, тоже наружный (иллюстрация с веб-сайта wikipedia.org).
С этим решили разобраться геофизики Пол Силвер (Paul Silver) из института Карнеги (Carnegie Institution for Science) и Марк Бен (Mark Behn) из Вудсхолского института океанографии (Woods Hole Oceanographic Institution).
Обычно считается, что раздвижение океанических платформ и поглощение их континентальными было всегда и "действовало" безпрерывно.
В то же время был выявлен глобальный метод дрейфа плит: они или сходятся, или расползаются, образуя в конце каждого цикла суперконтинент.
На основании повторяющейся версии южноамериканские учёные и оспорили непрерывность тектонического движения, которое, по их воззрению, находится в зависимости от критерий "схлопывания" океана (с следующим образованием одного "сверхматерика").
Единственная значимая зона субдукции, появившаяся за последние 80 миллионов лет, находится в Тихом океане (иллюстрация Lawver, Dalziel, Gahagan, Martin, Campbell/University of Texas).
Геофизики представили, что есть два типа сокращения – внутреннее и наружное, и они приводят к разным последствиям.
Дело в том, что во внутреннем океане зон субдукции, по воззрению учёных, не появляется. А зоны эти, напомним, числятся незыблемым источником геологической активности, генерирующим конвективные течения.
Нечто схожее мы можем следить прямо на данный момент: Тихий океан, где размещено подавляющее большая часть сейсмофокальных участков, потихоньку сокращается, уступая место океану Атлантическому. А в последнем за 200 миллионов лет его существования "подползания" плит так и не вышло (за несущественными исключениями). И для этого, возможно, нет никаких предпосылок и в дальнейшем.
Через 100 миллионов лет Австралия приплывёт к Стране восходящего солнца и нашему Сахалину. А позже, ещё через миллионов 100-200, их "прихлопнет" Северная Америка (иллюстрация с веб-сайтов suntimes.com, utexas.edu/MEMBRANA).
Ранее числилось, что закрытие старенькых зон субдукции должно уравновешиваться возникновением новых. Таким макаром, должен существовать некоторый закон, который консервировал бы непрерывность силового взаимодействия океанических плит вместе, с континентальными щитами, также с мантией – влияя на конвективные потоки и в итоге на тектоническую активность Земли.
Но этого, по всей видимости, не наблюдается. Более логичным было бы представить, что столкновение континентов в итоге образования суперконтинента подтолкнуло бы последующую область литосферы – и т.д., прямо до океанических платформ.
Все же "наезд" Африки и Индостана на Евразию фактически полностью "ушёл" в Альпийско-Гималайскую горную цепь, а новых районов субдукции (взамен утерянных в океане, что лежал меж ними) не появилось. Хотя уже 50 миллионов лет прошло.
По мере экономии термический энергии литосфера начинает играть роль квазитвёрдой крышки (stagnant lid), и конвекция перебегает в другой, "стоячий" режим. Если тепло не может пробиться наружу, перемещая при всем этом плиты, оно будет находить для себя дорогу не на их окраинах, а прямо через кору – что приводит к еще наименьшему остыванию. Но если припас температуры ядра достаточный, в какой-то момент суперконтинент "разорвёт" на части – как Родинию (иллюстрация Li et al.).
Итак, так как мы смотрим, что внутренний океан более 200 миллионов лет не проявляет никаких признаков "пододвигания", уместно представить, что такая ситуация может продлиться ещё достаточно длительно. Сотки миллионов лет, по оценкам янки.
А с образованием суперконтинента (и "схлопыванием" Тихого океана совсем) субдукция вообщем может тормознуть. Другими словами плиты на какое-то время затормозятся, и теплопотеря Земли резко уменьшится
В доказательство собственной теории Пол Силвер и Марк Бен отыскали следы подобных процессов в более старых вулканических породах, относящихся, к примеру, к временам существования Родинии.
Эти породы были обнаружены в глубине континентов, вдалеке от мест их "производства", что свидетельствует о накоплении тепла под континентальными плитами – в периоды их "застоя".
Исходя из разных коэффициентов "тектонической эффективности" (утраты тепла в итоге движения океанических плит), Полом Силвером и Марком Беном было выстроено несколько сценариев. Даже по самому оптимистичному из их Земля должна была остыть около 1 млрд годов назад (иллюстрация Silver, Behn).
Выходит, что в нашем геологическом прошедшем появилось нечто вроде механизма саморегуляции термического режима – в глобальных масштабах. И это продлило нам жизнь как минимум на один млрд лет.
Но к каким последствиям всё это может привести в дальнейшем?
А в дальнейшем причины понижения тектонической активности станут играть ещё более приметную роль. При всем этом замедление конвективных процессов в мантии прирастит периоды тектонических мегациклов.
Связано это с экспоненциальной зависимостью вязкости мантийного вещества от температуры: при уменьшении подвода к нему термический энергии ядра вязкость астеносферы будет неоднократно повышаться, и соответственно вырастут силы трения, препятствующие движению плит.
Более ожидаемое время "сборки" Pangea Ultima – через 250 миллионов лет, но встречаются и оценки в 350 миллионов. Одного представления о том, как она будет смотреться – не существует, и многие геологи выдвигают другие версии последнего суперконтинента под разными именами (иллюстрация с веб-сайта davidlyness.moved.in).
Более того, с момента собственного появления литосферные плиты поочередно снижали скорость – с 50 см в год (местами больше) до её современного значения около 5 см в год.
Встаёт ещё более конкретный вопрос: а хватит ли сил на пуск нового цикла? Некие учёные уже именуют последующий суперконтинент Pangea Ultima, другими словами "последней Пангеей".
Напомним, что на данный момент мы смотрим сокращение наружного океана, а означает, нас ждёт счастливое понижение тектонической активности и "консервирование" тепла в мантии. Плюс к тому, меньше разломов – меньше вулканов и землетрясений.
Правда, жить в "суперконтинентальных" критериях будет всё же не очень сладко, не говоря уже о том, что концентрация всех плит "с одной стороны" Земли будет иметь непредсказуемые последствия для климата в целом. Вероятнее всего, грустные.
Что ж, будем возлагать на то, что механизм тектонической саморегуляции, описанный южноамериканскими учёными, вправду существует, и что он в очередной раз продлит жизнь нашей прелестной планетке.
