Геологи объяснили, что запустило уничтожение литосферных плит на Земле

Большой вопрос геологии Земли — почему тектонические плиты сталкиваются и наползают друг на друга (геологи называют это субдукцией). Наша планета уникальна, потому что единственная в Солнечной системе обладает активной плитной тектоникой. Венера, например, похожа на Землю массой, размером, плотностью и даже силой тяжести (одно время ее называли сестрой Земли), но тектоника там, вероятнее всего, устроена иначе, магматизм Венеры внутриплитный. Движения плит не наблюдают и на Марсе, другой соседней планете земного типа.

Причины субдукции на Земле до сих пор остаются спорными — исследователи могут судить о геодинамике по древним минералам. Например, анализ цирконовых пород из Западной Австралии показал, что формирование земной коры началось 4,35 миллиарда лет назад. Интересно, что примерно за 200 миллионов лет до этого прото-Земля столкнулась с гипотетической планетой Тейя (впрочем, эту гипотезу многие считают устаревшей), в результате чего образовалась Луна.

Существует предположение, что оба этих процесса — модель формирования Луны и начало субдукции на Земле — взаимосвязаны. При этом высказывались версии, что тектонику плит вызвал мантийный плюм или удар крупного космического тела.

В этот раз четверо американских геологов из Калифорнийского университета решили проверить, могло ли столкновение с Тейей запустить первую земную субдукцию. Для этого ученые построили двумерную модель ранней геодинамики всей мантии катархейского эона (4,567-4,031 миллиарда лет назад), а затем протестировали механизм возникновения тектоники плит на трехмерных моделях. Результаты научной работы опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.

Построенные модели затрагивают период спустя 50 миллионов лет после застывания жидкого океана магмы. Температура границы «ядро — мантия», по мысли авторов исследования, была выше, чем сейчас — не 3473-4573 кельвина, а 5273 кельвина (зону разогрел железный осадок от гипотетической Тейи). Такие условия могут вызывать частичное или полное плавление в этом слое. Согласно моделям, процесс образования субдукции происходил следующим образом. После удара Тейи о Землю часть гипотетической планеты осталась в виде двух крупных областей с низкой скоростью сдвига. Они находятся на границе нижней мантии и ядра.

В этих гигантских структурах через 99 миллионов лет после события зарождается мантийный плюм. Он поднимается к верхней мантии (для простоты понимания можно представить капли) и становится узким из-за низкой вязкости. По мере приближения к уже уплотнившейся литосферной толще плюм ослабляет литосферу и спустя 109 миллионов лет, как следует из моделирования, проникает в нее. Возникает высокотемпературное, не очень вязкое клиновидное образование. Через 123 миллиона лет после удара этот клин раздвигает литосферу и опускает ее края книзу, формируя зоны субдукции, которые плиты поддерживают уже самостоятельно.

Тем не менее подобный сценарий возможен при пределе текучести литосферы в 80 мегапаскалей. При значении в 100 мегапаскалей субдукция возникает только с одной стороны, а при 150 мегапаскалях плюмы не могут пробить литосферу. Также процесс не запускается при низкой температуре границы «мантия — ядро»: он продолжается, пока не остынет до ≥ 3773 кельвинов, но не происходит при 3273 кельвинах.

Ученые проверили этот механизм на нескольких трехмерных моделях — он подтвердился за тем исключением, что при пределе текучести литосферы в 100 мегапаскалей субдукция не возникла. Так или иначе, исследователи доказали, что температура на границе «ядро — мантия» — ключевое условие тектоники плит на Земле. А разогревается эта зона, в рамках моделирования авторов работы, именно благодаря осаждению ядра гипотетической Тейи при столкновении 4,5 миллиарда лет назад.