Молот для суперконтинента

К самым крупным геологическим событиям Земли можно отнести раскол суперконтинента. Он происходил каждый раз после объединения всех континентов в единую сушу. Почему? Поиск ответа непрост, но кое-что начинает сегодня приоткрываться.

Извержение вулкана Бардарбунга в Исландии

Фото: Getty Images

Тектоника

Наша история связана с движениями в недрах. Движения крупных блоков земной коры, или литосферных плит, называются тектоническими. Они охватывают плиту разными формами. Вертикальные проявляются поднятиями и опусканиями отдельных участков плиты, вздутиями сводов и прогибами. Горизонтальные движения перемещают плиту по планете, иногда вращают, и сталкивают с другими плитами.

Природа этих движущих сил не всегда полностью понятна. Она присутствует и в конвективных ячейках, существующих в мантии, и в не связанных с ними вертикальных подъемах вещества с глубин нижней мантии. Тектонические движения охватывают всю поверхность Земли, и кратоны с материками, и тонкие плиты океанической коры. Они медленно меняют глобальную картину земной поверхности.

Континенты движутся, иногда отделяя от себя крупные части, иногда сближаясь и сталкиваясь. Расстояния между краями континентов где увеличиваются, где сокращаются. Это открываются и закрываются океаны, разделяющие континенты. Время от времени континенты собираются все вместе в единый гигантский суперконтинент.

В прошлом такие объединения возникали не один раз.

Суперконтинентальный цикл

Считается, что суперконтинентов в истории Земли было несколько. Но, естественно, чем дальше в прошлое, тем более размыты оценки длительности, границ во времени и конфигураций. Ближайшим к нам в прошлом был суперконтинент Пангея, существуя 160 млн лет, от 335 млн до 175 млн лет назад: ровно наполовину палеозойский, наполовину мезозойский. Перед ним в прошлом возникала короткоживущая нестабильная Паннотия V-образной формы. 600 млн лет назад она мимоходом сложилась скользящим касанием больших континентов и быстро распалась их продолжающимся движением. До нее существовала длительная (вдвое дольше Пангеи) стабильная Родиния, образовавшаяся 1,1 млрд лет назад и распавшаяся 750 млн лет назад. Между центрами времени существования стабильных Пангеи и Родинии (255 млн и 925 млн лет назад) лежит 670 млн лет.

Интересно, что примерно на таком же отрезке времени в прошлом лежит и еще более древний предыдущий суперконтинент, названный Колумбия или Нуна. По многим геологическим признакам он существовал 1,8–1,5 млрд лет назад, в конце палеопротерозоя. Центр его времени существования приходится на 1,65 млрд лет назад — и это на 725 млн лет древнее Родинии. Два отрезка времени, 670 млн и 725 млн лет, отличаются лишь на 7%, они практически одинаковы.

В еще большей древности находят более размытые геологические данные о существовании единой суши архейских суперконтинентов Кенорленд (2,7 млрд лет), Ур (3 млрд лет) и Ваальбара (3,6–2,8 млрд лет, первая и древнейшая). Датировки расплывчаты, что немудрено, и пересекаются на краях. Тем не менее существование этих суперконтинентов считается достаточно обоснованным. Так или иначе они являют собой циклический процесс — повторяющиеся со временем возникновение и распад суперконтинентов.

Он получил название суперконтинентальный цикл. Его периодом принято время между двумя последовательными сборками суперконтинентов в максимуме их развития. Оно скорее разное, чем одинаковое, составляя от 300 млн до 700 млн лет. Если убрать случаи «мимолетного» касательного объединения вроде Паннотии, останутся стабильные, долго существующие суперконтиненты с периодом между ними 600–800 млн лет.

Раскол

В фазе сборки суперконтинента составляющие его континенты сближаются, движущие их силы направлены на объединение суши. Однако спустя некоторое время эти силы перестают действовать, а суперконтинент раскалывается на континенты, которые затем расходятся. Почему происходит такая противоположная смена воздействия? Чем вообще можно расколоть суперконтинент или даже просто континент?

По всей видимости, это раскалывающее начало возникает после сборки суперконтинента и действует на него до распадения. Какова природа этого молота для суперконтинента и как он возникает после образования своей цели?

Молот может быть внешним, космическим. В виде астероида большого размера, энергия падения которого достаточна для разбивания континента. И регулярно падающего именно в середину суперконтинентов, и именно в фазе их наибольшей сборки. Такая прицельность, точная повторяющаяся привязка случайных событий во времени и территориях, в природе не встречается. Да и геологических следов падений, коловших суперконтиненты, не выявлено.

Молот наверняка внутренний и расположен в недрах. Он создает большое силовое действие, поскольку действительно раскалывает огромные толщи горных пород на большие глубины. Разломы, разъединяющие континенты, тянутся на многие сотни и тысячи километров. Мощность молота огромна и трудно представима; он работает медленно, но длительно, не только разрывая суперконтинент, но и растаскивая его континенты в разные стороны, создавая новые течения в мантии.

Объединение континентов в суперконтинент Пангея

Мантийный плюм и его свойства

Мантия, основная каменная часть Земли, лежащая под земной корой, состоит из раскаленного, сжатого, твердого камня. Твердые вещества могут обладать пластичностью, иногда большой. Так в горах лед течет твердым потоком ледника. И иногда быстро, на метры и десятки метров за сутки. Твердый воск может оплывать книзу. Подобным образом движется и твердое вещество мантии, образуя циркуляционные движения и другие потоки.

Мантия делится на две части, внутреннюю и наружную оболочки, верхнюю и нижнюю мантию. Они разделены на глубине 660 км, где давление сплющивает кристаллическую решетку уже сжатой модификации оливина (рингвудит), основного минерала мантии, в самую компактную, окончательную, ультравысокобарическую форму (бриджманит). Толща этого сверхсжатого минерала уходит вниз на две с четвертью тысячи километров, до глубины 2900 км, где опирается на жидкое железное ядро. Между твердым камнем и жидким железом лежит переходная зона горячего слоя D" толщиной 150–200 км.

Сейсмическое зондирование по мере своего развития выявило в мантии вертикальные столбы, отличающиеся от окружающей мантии. Это твердые восходящие потоки, твердые струи разогретого и пластичного вещества, движущиеся из нижней мантии к земной поверхности. Их назвали мантийный плюм, от английского plume — «струйка, султан, плюмаж». Начинаются плюмы в слое D", весьма неоднородном и более горячем, чем прилегающая сверху нижняя мантия. Крупные нагретые неоднородности в нем могут развиваться в поднимающиеся струи. Размеры плюмов и время их существования разные, и обнаруживаются они в разных местах Земли.

Вертикальное тело плюма, будучи раскаленным, остается твердым из-за высокого окружающего давления. Приблизившись к земной коре, где давление каменных толщ значительно уменьшается, верхняя часть плюма плавится. Возникающая масштабная камера горячего расплава может проплавлять снизу земную кору, порождая вулканическую деятельность. Результатом бывают цепочки вулканических островов на ползущей над плюмом океанической плите, подобно Гавайям. Плюмовый вулканизм может достигать катастрофического в масштабе планеты уровня. Крупнейшее на Земле пермское вымирание живого мира связано с беспрецедентным излиянием расплавленных базальтов объемом в миллионы кубических километров, сформировавших Сибирскую трапповую провинцию. Ответственным за эту катастрофу считается мантийный плюм больших размеров.

Плюмы не только проплавляют земную кору, но и локально приподнимают ее над собой. Давление поступающего из недр вещества плюма формирует свод, выпуклость земной коры, поднимающийся на десятки и сотни метров. Это вызывает растягивающие напряжения на склонах свода, появление трещин и разломов. Насколько велика возникающая система разломов, определяется и параметрами раскалывающейся плиты, и мощностью плюма. С ростом последней проявления плюма могут оказаться столь значительны, что станут достаточными для разъединения континентов и раздвигания их в стороны. Для этого нужен чрезвычайно большой, колоссальных масштабов плюм.

Два суперплюма

Плюмы, как мы уже отмечали, выявляются в разных местах Земли. Ранее считалось, что плюмы возникают в наблюдаемом множестве независимым образом. Но развитие методов сейсмической томографии позволило увидеть, что все наблюдаемые плюмы являются не одиночными самостоятельными потоками, а ответвлениями, отростками двух гигантских суперплюмов, расположенных на большой глубине в нижней мантии. Эти колоссальные глубинные плюмы-гиганты назвали суперплюмами. Их размеры огромны даже для плюмов, поперечники достигают нескольких тысяч километров.

Таких суперплюмов на Земле только два, и расположены они вокруг железного ядра противоположно друг другу. Один суперплюм располагается под Африкой, выходя своими ветвями вокруг Африки и достигая высоких северных широт (Исландия). Второй расположен в противоположном полушарии, под Тихим океаном, выходя на поверхность ответвлениями в виде многочисленных тихоокеанских вулканических архипелагов и островов, включая Таити и Пасхи, Гавайи и Галапагосы и другие вулканические островные группы. Химический состав лав на этих островах несет в себе характерные признаки плюмового вулканизма, в виде хорошо фиксируемого повышенного содержания никеля, хрома и оксида магния — вестников вещества из глубин нижней мантии.

Изучение пород, оставленных плюмами, показало, что наземные проявления активности суперплюмов неоднократно менялись во времени. Суперплюмы то значительно усиливали свою деятельность на 200–300 млн лет, то затихали на 400–600 млн лет. Таким образом, цикл активности суперплюмов, или длительность одной связки тихого и активного периодов, составляет около 600–900 млн лет.

Синхронизация

Внимательный взгляд увидит, что такой цикл активности суперплюмов по длительности примерно равен суперконтинентальному циклу. Но самое удивительное, что активность суперплюмов в высокой степени коррелирует в абсолютном времени с фазами полной сборки и распада суперконтинентов. Этот крайне интересный факт установили совсем недавно, надежно выявив такую корреляцию (например, «Global Geochemical Fingerprinting of Plume Intensity Suggests Coupling with the Supercontinent Cycle» в Nature Communications от 2019 года). Оказалось, что активизация суперплюмов совпадает со временем полной сборки суперконтинентов. И наоборот, более долгие интервалы затихания суперплюмов соответствуют разрозненному движению отдельных континентов к будущей сборке в очередной суперконтинент.

Более того, в отношении двух последних долгоживущих суперконтинентов — Пангеи и Родинии — наблюдается и пространственное совпадение: суперплюм активизировался в то время, когда над ним находился суперконтинент. Есть ли причинно-следственная связь между активизацией суперплюмов и сборкой суперконтинентов? Как мы отмечали выше на примере падения астероидов, такая регулярная согласованность случайных событий во времени и пространстве маловероятна. Тогда как связаны эти два события? Активизация суперплюма вряд ли способствует сборке суперконтинента над ним. Может, наоборот, суперконтинент активизирует суперплюм? Но как?

Высказывалась гипотеза, что образование суперконтинента с его большой протяженностью и толщиной затрудняет отток тепла из глубин мантии к земной поверхности. Что приводит к постепенному прогреву мантии под ним с образованием суперплюма. Однако тогда мантия должна разогреваться по всей своей толщине под огромной площадью суперконтинента. Плюмы же начинаются как локальные горячие участки на границе мантии и ядра. А развитие сейсмической томографии позволило выявить явления, которые ранее не представлялись в таком масштабе. И эти явления выглядят гораздо перспективнее для объяснения возникновения суперплюма.

Субдукция

Океаническая земная кора сложена тонкими, всего 5–10 км, и плотными базальтовыми плитами, прикрытыми небольшим слоем морских осадочных пород. Этим она отличается от многократно более толстого сэндвича континентальной плиты, с ее многокилометровым гранитным слоем и часто столь же мощным осадочным чехлом. Когда такой континентальный дредноут сталкивается с океанической корой, для него коркой, он подминает ее под себя. Тонкая и плотная океаническая плита отгибается краем континента косо вниз, и наклонно погружается под него в мантию, с углом 60–70 градусов к горизонту. Это называется субдукцией.

Такое проталкивание океанической плиты в мантию вызывает трение и напряжения пород на поверхностях контакта плиты с мантией, разряжающиеся многочисленными землетрясениями. Точки в недрах, где происходит сдвижка пород, порождающая расходящуюся в толщах упругую сейсмическую волну, называются фокусами землетрясений. Названы они так потому, что данные сейсмических станций, регистрирующих расходящуюся сейсмическую волну, позволяют «прокрутить обратно» распространение волны — и тогда волна сфокусируется в точку в недрах, откуда произошла. Измерение глубины и расположения фокусов землетрясений в районах субдукции показало, что эти фокусы расположены на больших глубинах. Группируясь, они образуют в недрах наклонную поверхность, названную фокальной поверхностью Вадати—Беньофа—Заварицкого, по именам ученых, научно описавших ее.

Фокальная поверхность показывает, как именно погружается в недра плита, рождающая землетрясения на своих сторонах, которыми она втискивается в мантию. Нижний край фокусов землетрясений регистрируется ближе к границе верхней и нижней мантии, на глубинах 600–700 км, реже 800 км, ниже которого фокусы пропадают. Это означает, что напряжения трения плиты с мантией исчезают — погружаемая плита размягчается от жара глубин и переходит в пластическое состояние, уходя дальше в мантию уже менее инородным телом и где-то глубже смешиваясь с мантийным веществом.

Так считалось до тех пор, пока сейсмическая томография не позволила разглядеть с большим разрешением и надежностью неоднородности в нижней мантии. Оказалось, что многие такие неоднородности продолжают наклонные фокальные поверхности субдуцирующих плит. Другими словами, размягчившиеся океанические плиты, пройдя 660 км глубины верхней мантии, продолжают двигаться в нижней мантии до больших и очень больших глубин, в виде медленных потоков отличного от мантии вещества. Они отличаются и по составу, потому что несут в себе воду и осадочные породы морского дна. И по температуре, поскольку, хотя и размягчившись от нагрева, остатки плиты не успевают полностью прогреться до непрерывно растущих с глубиной температур нижней мантии.

Оказалось, что такие потоки вещества субдуцирующих океанических плит могут достигать самого низа мантии, выходя в высокотемпературный слой D", отделяющий мантию от расплава железного ядра. Поскольку слой D" достаточно тонкий, можно допустить ситуации, когда субдукционные потоки успевают проходить его вплоть до прямого контакта с горячим железным расплавом ядра. При таком контакте с жаровней ядра вещество плиты будет быстро и сильно нагреваться, создавая в этом месте высокотемпературную неоднородность слоя D". А отдавшее тепло расплавленное железо охладится в этом месте и начнет опускаться вниз, создавая здесь новую конвективную ячейку в жидком железном внешнем ядре. Этот гипотетический механизм считается перспективным для объяснения движения и смены магнитных полюсов Земли посредством такого изменения циркуляции в жидком железном ядре и токов в нем, создающих магнитное поле Земли.

Фокусировка под суперконтинентом

Суперконтинент со всех сторон оказывается окружен единым огромным океаном, его океаническими плитами и их давлением. Почти везде они движутся к суперконтиненту, упираясь в него под разными углами. И субдуцируют, уходя под него наклонно вниз. Суперконтинент работает словно тектоническая линза, фокусирующая под себя поток океанической коры. Только в отличие от света, падающего перпендикулярно на площадь линзы, поток океанической коры наплывает со всех сторон на края, которые и фокусируют этот поток под себя, направляя наклонно вниз со всего периметра суперконтинента.

Так, вероятно, запускается механизм глобальной тектонической накачки материала в область на границе мантии и ядра, лежащую под суперконтинентом. Этот материал поступает со всех сторон в больших количествах и испытывает значительный нагрев от контакта с горячим слоем D" и, возможно (при таких масштабах закачки материала), непосредственно с железным ядром. В этом районе формируется огромная масса нагретого материала, за счет осадочных пород менее плотного, чем мантийное вещество. Из-за примеси осадочного вещества и воды (к этому моменту вошедшей в кристаллические решетки минералов) этот материал может быть более пластичным, с более высокой подвижностью, чем бриджманит нижней мантии.

Этот нагретый контактом с ядром более пластичный и легкий материал начинает всплывать вверх. А его огромные количества, фокусируемые в одну область сразу всей объединенной сушей Земли, формируют масштабы и размеры суперплюма, который начинает расти и двигаться к земной поверхности, неся в себе достаточную мощь для раскалывания суперконтинента. Так тектоника Земли, движение ее плит, образует великий суперконтинентальный цикл.

Сначала она сталкивает вместе континенты, образуя суперконтинент. Затем протискивает под суперконтинент океанические плиты, закачивая к железному ядру Земли материал для питания суперплюма. Последний отзывается на это значительным усилением своей активности. И расколом суперконтинента на континенты, с дальнейшим раздвиганием их во все стороны — до их сближения на другой стороне Земли. Там континенты объединяются в суперконтинент, фокусирующий материал коры в суперплюм, лежащий противоположно первому суперплюму. Так замыкается суперконтинентальный цикл.

Нерешенные проблемы

Эта в целом логичная картина требует дополнений. Уже на стадии сближения континентов перед объединением лежащие меж ними океанические плиты субдуцируют под них, закачивая к ядру Земли материал для будущего суперплюма. К моменту объединения в суперконтинент этот материал уже достигает границы мантии и ядра и разогревается. Этот разогрев делает породы (мы не знаем, как точно описать вещество в нижней мантии) более подвижными. Поэтому активность суперплюмов увеличивается сразу при сборке суперконтинента, а не с запаздыванием. Кроме того, вряд ли реальна точная и полная синхронизация границ и деталей этих двух сложных картин — на поверхности Земли и на стыке мантии и ядра. Их согласованность разбавляется неодинаковыми конфигурациями континентов, разбросом их объединения в суперконтинент и другими несистематическими факторами.

Требует подтверждений и сама концепция. Пока выявлена синхронизация периодов активности суперплюмов с полной сборкой суперконтинентов и совпадением их географических положений. Механизма фокусировки материала океанической коры под суперконтинент прямо наблюдать сейчас невозможно. Но, вероятно, можно найти его следы, еще сохраняющиеся сегодня.

Слой D" между мантией и железным расплавом ядра неоднороден. В некоторых местах, на расстоянии 150–350 км от границы с ядром, в мантии есть сейсмические разрывы — поверхности, отражающие сейсмические волны. Поперечные волны после них распространяются с разной скоростью в зависимости от направления колебаний. Это означает куски иной по плотности, вероятно слоисто-структурированной породы — палеосубдукционные блоки коры, не успевшие переработаться. Они размягчаются к границе ядра и мантии.

В других зонах слоя D" выявляются очаги значительных размягчений и замедлений сейсмических волн, приуроченные к африканскому и тихоокеанскому суперплюмам. С ростом разрешения сейсмической томографии и все более точного сейсмического картографирования недр можно построить картину окружения области в слое D" под суперплюмом остатками древних палеосубдукционных блоков. И, поработав с построенными высокоточными моделями, определить движения, сложившие такую картину. Скорее всего, они подтвердят концепцию возникновения суперплюмового молота для суперконтинента.

Дело за новыми исследованиями и новыми данными.