Жесткий верхний слой Земли — литосфера — состоит из движущихся плит. Но какой механизм запустил тектонику плит, пока остается загадкой. «Знание того, как выглядит курица и как она выглядела раньше, не помогает нам понять яйцо», — говорит Тарас Герия, профессор геофизики Шведского технологического института в Цюрихе.

Литосфера Земли разделена на несколько плит, которые находятся в постоянном движении, и современные геологи хорошо понимают, что управляет движением этих плит: тяжелые океанические плиты подныривают под более легкие континентальные плиты в так называемых зонах субдукции. После того как движение началось, оно продолжается из-за веса плотной погружающейся плиты.

Ученые до сих пор не понимают, что запустило тектонику плит с самого начала или как образовалась первая зона субдукции.

В литосфере Земли должно было быть слабое место, чтобы части коры начали вгрызаться в мантию Земли. Мог ли гигантский метеорит, который врезался и проделал дыру в литосфере Земли, сделать это слабое место? Или же конвекционные силы мантии разбили литосферу на движущиеся части?

Герию не устраивает ни одно из этих возможных объяснений.

«Весьма непросто сделать выводы о том, что привело тектонику в движение», — говорит он.

Герия решил исследовать поверхность Венеры, у которой никогда не было тектоники плит. Он отметил (и смоделировал) огромные кратероподобные круги (короны) на Венере, которые могли также существовать на поверхности Земли в ранний период (докембрий) истории Земли, до начала тектоники плит.

Эти структуры могли бы указать на мантийные плюмы, которые когда-то выросли из железного ядра Венеры во внешние слои, таким образом ослабив и размягчив поверхность планеты.

Плюмы образуются глубоко в недрах планеты. Они вырастают в литосферу, принося с собой частично расплавленный материал мантии, который приводит к ослаблению и деформации литосферы. Сплющиваемый сопротивлением жесткой литосферы, этот материал растекается, принимая грибовидную форму.

Возможно, такие плюмы существовали в недрах Земли и, возможно, создали слабости в литосфере Земли, необходимые для инициации тектоники плит.

Мантийные плюмы дают слабину
Герия и его команда разработали новую компьютерную модель, с помощью которой испытали свою идею в высоком разрешении и 3D. Результаты их работы были опубликованы в Nature.

Симуляция показывает, что мантийные плюмы и слабые места, ими созданные, инициировали первые зоны субдукции. Согласно модели плюм ослабляет лежащую сверху литосферу и формирует округлую тонкую слабую точку с диаметром от нескольких до сотен километров. Со временем она растягивается при поддержке горячего материала из глубин мантии.

«Чтобы сделать кольцо больше, его нужно разбить», — объясняет Герия. Это применимо и к поверхности Земли: кольцеобразные слабины (в модели) могут увеличиться и субдуцироваться, только если дойдут до предела.

Вода как необходимость
Когда эти капли распространились по всей литосфере, крупные плиты жесткой литосферы начали погружаться в мягкую мантию, и так появилась первая ключевая зона. Напряжение, созданное погруженной плитой, в конечном счете привело в движение плиты.

Они начали погружаться, хорошо смазанные морской водой на дне океана. Началась субдукция — а с ней и тектоника плит.

«Вода действует как смазка и абсолютно необходима для инициации самоподдерживающейся субдукции», — говорит Герия.

В своем моделировании ученые сравнивают разные температурные условия и литосферные состояния. Они пришли к выводу, что порожденная плюмами тектоника плит могла развиваться в условиях, которые предваряли докембрий порядка трех миллиардов лет — когда литосфера Земли уже была толстой и холодной, но мантия оставалась горячей, обеспечивая достаточно энергии для существенного ослабления литосферы за счет плюмов.

Если бы литосфера вместо того была тонкой и теплой, а следовательно, мягкой, расчеты показывают, что кольцевые, быстро убывающие структуры — дрипы — просто образовались бы вокруг головки плюма. И хотя это привело бы к тому, что они погрузятся в мантию, это не смягчило бы литосферу, не привело бы к субдукции, а следовательно, не вызвало бы и тектонику плит.

Аналогичным образом, компьютерное моделирование показывает, что в современных условиях, где разница температур литосферы и материалов плюмов невелика, сложно инициировать плюмовую субдукцию, поскольку литосфера уже слишком жесткая, и плюмы вряд ли достаточно ее ослабят.

«Наши новые модели объясняют, как могла бы появиться тектоника плит», — говорит он. Активности плюмов было достаточно, чтобы запустить мозаику плит сегодняшнего дня. Герия считает силу плюмов основным курком, который запустил глобальную тектонику плит.

Твоим друзьям это понравится!