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?
Венера как модель
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.