Сейчас каждый школьник знает, что оболочка Земли неоднородна и состоит из относительно цельных плит, находящихся в постоянном движении. Однако механизмы, управляющие тектонической активностью, весьма сложная штука.

Несмотря на всё изящество и логичность концепции "одни плиты раздвигаются, а другие сталкиваются", в каждом конкретном случае геофизические процессы столь замысловаты, что детально описать, например, образование горных цепей – задачка не из лёгких.




Оболочка Земли называется литосферой. В неё входят твёрдая кора и самая холодная, вязкая часть верхней мантии. Континентальная и океаническая оболочки различаются. Если упрощённо, они представляют собой граниты и базальты. Некоторые платформы сложены исключительно океанической корой, другие состоят из блока континентальной, "впаянного" в океаническую. Вот как это выглядит в цифрах: мощность континентальной литосферы составляет от 40 до 200 километров (а по некоторым оценкам до 400), в том числе кора – от 30 до 50 километров; мощность океанической литосферы – от 50 до 100 километров, в том числе кора – от 7 до 10 километров. Отметим, что данные эти приблизительные и в будущем могут уточняться (иллюстрация U.S. Geological Survey).

Да и утвердилась "мобильная" точка зрения относительно недавно – в 1960-х и 1970-х. До этого господствовали "стационарные" представления. Например, горы, согласно распространённой ещё в начале XX века гипотезе, рождались подобно морщинам на сушёном яблоке – по мере остывания коры.

Впоследствии появился ряд других теорий, но все они так или иначе отвергали саму возможность движения континентов. Даже призывы сравнить линии побережья Африки и Южной Америки, складывающиеся, казалось бы, в очевидный пазл, не производили никакого впечатления на официальную науку.

Главным основанием для скепсиса было отсутствие видимой причины дрейфа материков: сила, толкающая их, должна быть огромна. Но в чём её источник?



Наиболее крупных плит восемь: Северо-Американская, Евразийская, Южно-Американская, Африканская, Индостанская, Австралийская, Антарктическая и Тихоокеанская. Самостоятельность "мегаплит" в целом не вызывает сомнений, но их границы не везде являются однозначными. Крупнейшие платформы в основе своей имеют древние ядра – кратоны, которые возникли на заре тектонической активности. Сибирь, например, один из таких "нуклеаров". Для нас основное значение имеет разделение литосферы на континенты и океаны, однако оно далеко не всегда совпадает с делением литосферы на плиты (иллюстрации с сайтов learner.org, wikipedia.org).

Разгадка пришла из океана. Подробная карта его рельефа выявила гигантские подводные хребты (общая протяжённость более 60 тысяч километров), на которых, в свою очередь, были обнаружены следы молодой по геологическим меркам породы.

Оказалось, что недра Земли пронизаны конвективными потоками, по которым происходит перемещение мантийного вещества. А основным источником энергии этих течений служит разность температур горячего ядра (порядка 5000 °C) и холодной поверхности.

Дальнейшие исследования позволили более детально сформулировать основные причины движения плит. Их оказалось две. Вернее, одна, но о двух лицах.



Когда океанические плиты сталкиваются – между собой, либо с континентальными – одна из них "подныривает" под другую. В последнем случае "победителем", за очень редкими исключениями, становится материк. Этот процесс и называется субдукцией. Уходящая вниз плита попадает в горячую область мантии и тоже нагревается, размягчаясь при этом. Расплавленная порода прорывается наружу, деформируя верхнюю часть литосферы (иллюстрация с сайта wikipedia.org).

Во-первых, это подъём расплавленной породы в районах срединно-океанических хребтов, её застывание и последующее соскальзывание вниз, сопровождаемое расширением дна, – "спрединг".

Во-вторых, это компенсирующее погружение холодных плит вниз на границе с другими платформами – "субдукция" или пододвигание одного участка литосферы под другой.



Современность – крупица в геологической истории Земли. Древнейший найденный минерал датируют периодом около 4,4 миллиарда лет назад, то есть по сути ещё догеологической (в современном представлении) эпохой — Катархеем (иллюстрация с сайта wikipedia.org/MEMBRANA)

Фактически это единый механизм, результатом которого является своеобразный круговорот мантии в природе, увлекающий за собой материки и океаны – за счёт вязкости, а также результирующего бокового давления смежных платформ.

Тектоническая теория получила скорое подтверждение с открытием магнитных аномалий океанического дна. Дело в том, что при застывании вулканических пород в них сохраняется остаточная намагниченность, то есть ориентация металлических частиц вдоль силовых линий магнитного поля.

Распаковав этот "архив", геофизики восстановили положение полюса относительно каждой плиты на разные моменты времени. И, объединив полученные данные с информацией по датировке пород, реконструировали историческую последовательность перемещений континентов.

Величественная картина геологического прошлого нашей планеты открылась взору учёных.



Дрейф материков начиная с периода 600 миллионов лет назад и до настоящего времени. Формирование Земли в её современном виде началось, когда древний суперконтинент Пангея стал распадаться на части около 200 миллионов лет назад (иллюстрация Ron Blakey/Northern Arizona University/MEMBRANA).

Формирование континентальной литосферы началось около четырёх миллиардов лет назад (или даже раньше), то есть с задержкой приблизительно на 500–600 миллионов лет по отношению к моменту возникновения самой Земли.

С тех пор шло последовательное (но неравномерное) наращивание массы коры вплоть до её современных размеров. Интенсивнее всего образование твёрдой поверхности происходило в позднем архее, около 2,6 миллиарда лет назад, когда в недрах нашей планеты окончательно выделилось ядро.

Восстановление прошлых перемещений плит превратилось в одно из популярнейших занятий. Положение континентов и блоков, из которых они сформировались, было с различной степенью детальности реконструировано вплоть до архея.



Известная нам сегодня тектоника возникла, по мнению ряда учёных, в позднем протерозое. До этого мантия, возможно, имела иную структуру, в которой не было устойчивых конвективных потоков (иллюстрация Ron Blakey/Northern Arizona University).

При этом исследователи выявили интересную закономерность: материковые щиты периодически сбивались в кучу – каждые 400-600 миллионов лет. Это приблизительно совпадает с числом конвективных циклов, то есть периодов, за которые всё вещество мантии по крайней мере один раз успело полностью "прокрутиться" – посредством субдукции и спрединга.

Первым из "обнаруженных" суперконтинентов стала Пангея, существовавшая 250-200 миллионов лет назад. В результате её распада и образовались современные континенты.

Отметим, впрочем, что более-менее достоверную палеомагнитную реконструкцию можно провести за относительно небольшое по геологическим меркам время – как раз до возраста Пангеи. С более ранними периодами дело обстоит несколько туманнее.



Пангея раскололась на Лавразию (севернее) и Гондвану (южнее), дав начало Атлантическому океану. Кстати, название "Пангея" (буквально "все земли") придумал родоначальник тектонической теории Альфред Вегенер (Alfred Wegener). Это ему никто не верил всю первую половину XX века (иллюстрация Ron Blakey/Northern Arizona University).

Всего суперконтинентов насчитывают около десятка (в том числе неполных, но всё равно крупных), и порой некоторые учёные оперируют различными названиями одного и того же "гиганта". Но даже с общепризнанными материками не всё просто.

Взять, к примеру, Родинию, существование которой около одного миллиарда лет назад не вызывает вопросов у большинства специалистов. Выдвигается масса предположений о том, как она выглядела. Причём несколько основных гипотез в равной степени принимаются к рассмотрению научным сообществом.

Однако, несмотря на всю многочисленность версий и теорий, одну из основных проблем геологической эволюции до сих пор убедительно объяснить не удавалось никому. Речь идёт тепловой смерти Земли.



Суперконтинент Родиния предположительно начал формироваться около 1,1 миллиарда лет назад и распался примерно 750 миллионов лет назад. Кстати, название "Родиния" происходит от русского "Родина" (Li et al.).

Большинство геофизиков придерживается точки зрения, согласно которой около 90% "конвекционной" энергии генерируется за счёт остывания ядра, 10% — за счёт распада радиоактивных элементов в нём и около 1% — за счёт приливных возмущений.

Анализ геологической истории мантии показал, что основные потери тепла всегда происходили через океаническую кору – посредством субдукции и спрединга. То есть де-факто интенсивность конвективного теплообмена можно приравнять к уровню тектонической активности.

Так вот, по всем расчётам получалось, что Земля должна была остыть давно. Но этого не произошло. Почему же мы ещё не замерзли, как цуцики?



Суперконтинент Пангея появился в результате сокращения внутреннего океана Япетус, а Родиния, наоборот, внешнего древнего океана. Тихий океан, который сокращается сейчас, тоже внешний (иллюстрация с 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 существовало всегда и "действовало" непрерывно.

В то же время был выявлен глобальный алгоритм дрейфа плит: они либо сходятся, либо расходятся, образуя в конце каждого цикла суперконтинент.

На основании циклической версии американские учёные и оспорили непрерывность тектонического движения, которое, по их мнению, зависит от условий "схлопывания" океана (с последующим образованием единого "сверхматерика").




Единственная значительная зона субдукции, возникшая за последние 80 миллионов лет, находится в Тихом океане (иллюстрация Lawver, Dalziel, Gahagan, Martin, Campbell/University of Texas).

Геофизики предположили, что существуют два типа сокращения – внутреннее и внешнее, и они приводят к различным последствиям.

Дело в том, что во внутреннем океане зон субдукции, по мнению учёных, не образуется. А зоны эти, напомним, считаются незыблемым источником геологической активности, генерирующим конвективные течения.

Нечто подобное мы можем наблюдать прямо сейчас: Тихий океан, где расположено подавляющее большинство сейсмофокальных участков, потихоньку сокращается, уступая место океану Атлантическому. А в последнем за 200 миллионов лет его существования "подползания" плит так и не произошло (за несущественными исключениями). И для этого, вероятно, нет никаких предпосылок и в будущем.



Через 100 миллионов лет Австралия приплывёт к Японии и нашему Сахалину. А потом, ещё через миллионов 100-200, их "прихлопнет" Северная Америка (иллюстрация с сайтов suntimes.com, utexas.edu/MEMBRANA).

Ранее считалось, что закрытие старых зон субдукции должно уравновешиваться появлением новых. Таким образом, должен существовать некий закон, который консервировал бы непрерывность силового взаимодействия океанических плит друг с другом, с континентальными щитами, а также с мантией – влияя на конвективные потоки и в конечном итоге на тектоническую активность Земли.

Однако этого, по всей видимости, не наблюдается. Наиболее логичным было бы предположить, что столкновение материков в результате образования суперконтинента подтолкнуло бы следующую область литосферы – и так далее, вплоть до океанических платформ.

Тем не менее "наезд" Африки и Индостана на Евразию практически целиком "ушёл" в Альпийско-Гималайскую горную цепь, а новых районов субдукции (взамен утерянных в океане, что лежал между ними) не появилось. Хотя уже 50 миллионов лет прошло.



По мере экономии тепловой энергии литосфера начинает играть роль квазитвёрдой крышки (stagnant lid), и конвекция переходит в иной, "стоячий" режим. Если тепло не может вырваться наружу, перемещая при этом плиты, оно будет искать себе дорогу не на их окраинах, а прямо через кору – что приводит к гораздо меньшему остыванию. Но если запас температуры ядра достаточный, рано или поздно суперконтинент "разорвёт" на части – как Родинию (иллюстрация Li et al.).

Итак, поскольку мы наблюдаем, что внутренний океан более 200 миллионов лет не проявляет никаких признаков "пододвигания", разумно предположить, что такая ситуация может продлиться ещё довольно долго. Сотни миллионов лет, по оценкам американцев.

А с образованием суперконтинента (и "схлопыванием" Тихого океана окончательно) субдукция вообще может остановиться. То есть плиты на какое-то время затормозятся, и теплоотдача Земли резко уменьшится

В подтверждение своей теории Пол Силвер и Марк Бен нашли следы аналогичных процессов в более древних вулканических породах, относящихся, например, к временам существования Родинии.

Эти породы были обнаружены в глубине материков, вдали от мест их "производства", что свидетельствует о накоплении тепла под континентальными плитами – в периоды их "застоя".



Исходя из различных коэффициентов "тектонической эффективности" (потери тепла в результате движения океанических плит), Полом Силвером и Марком Беном было построено несколько сценариев. Даже по самому оптимистичному из них Земля должна была остыть около 3,5 миллиарда лет назад (иллюстрация Silver, Behn).

Получается, что в нашем геологическом прошлом возникло нечто вроде механизма саморегуляции теплового режима – в глобальных масштабах. И это продлило нам жизнь как минимум на один миллиард лет.

Но к каким последствиям всё это может привести в будущем?

А в будущем факторы снижения тектонической активности станут играть ещё более заметную роль. При этом замедление конвективных процессов в мантии увеличит периоды тектонических мегациклов.

Связано это с экспоненциальной зависимостью вязкости мантийного вещества от температуры: при уменьшении подвода к нему тепловой энергии ядра вязкость астеносферы будет многократно повышаться, и соответственно возрастут силы трения, препятствующие движению плит.



Наиболее ожидаемое время "сборки" Pangea Ultima – через 250 миллионов лет, но встречаются и оценки в 350 миллионов. Единого мнения о том, как она будет выглядеть – не существует, и многие геологи выдвигают альтернативные версии последнего суперконтинента под различными именами (иллюстрация с сайта davidlyness.moved.in).

Более того, с момента своего возникновения литосферные плиты последовательно снижали скорость – с 50 сантиметров в год (местами больше) до её современного значения около 5 сантиметров в год.

Встаёт ещё более радикальный вопрос: а хватит ли сил на запуск нового цикла? Некоторые учёные уже называют следующий суперконтинент Pangea Ultima, то есть "последней Пангеей".

Напомним, что сейчас мы наблюдаем сокращение внешнего океана, а значит, нас ждёт счастливое снижение тектонической активности и "консервирование" тепла в мантии. Плюс к тому, меньше разломов – меньше вулканов и землетрясений.

Правда, жить в "суперконтинентальных" условиях 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. Скорее всего, печальные.

Что ж, будем надеяться на то, что механизм тектонической саморегуляции, описанный американскими учёными, действительно существует, и что он в очередной раз продлит жизнь нашей прекрасной планете.

www.membrana.ru