Тектоника плит формировала поверхность Земли на протяжении миллиардов лет: континенты и океаническая кора толкали и притягивали друг друга, постоянно меняя внешний вид планеты. При столкновении двух массивных плит одна из них может уступить и скользнуть под другую в процессе, называемом субдукцией. Погружённая плита затем скользит сквозь вязкую мантию Земли, как плоский камень сквозь лужу мёда.
По большей части, сегодняшние погружающиеся плиты могут опуститься только на глубину примерно 670 километров под поверхность, прежде чем состав мантии превратится из медовой консистенции в пастообразную - слишком плотную для большинства плит. проникать дальше. Ученые подозревают, что этот фильтр плотности существовал в мантии на протяжении большей части истории Земли.
Теперь, однако, геологи из Массачусетского технологического института обнаружили, что эта граница плотности была гораздо менее выражена в древней мантии Земли, 3 миллиарда лет назад. В статье, опубликованной в Earth and Planetary Science Letters, исследователи отмечают, что мантия древней Земли была на 200 градусов по Цельсию горячее, чем сегодня, - температуры, которые могли образовать более однородный и менее плотный материал на всем протяжении. слой мантии.
Исследователи также обнаружили, что по сравнению с сегодняшним каменистым материалом древняя кора состояла из гораздо более плотного материала, обогащенного железом и магнием. Сочетание более горячей мантии и более плотных горных пород, вероятно, привело к тому, что погружающиеся плиты полностью опустились на дно мантии, на 2800 километров ниже поверхности, образовав «кладбище» плит на поверхности ядра Земли.
Их результаты рисуют совершенно другую картину субдукции, чем та, что происходит сегодня, и предполагают, что древняя мантия Земли была гораздо более эффективной в вытягивании кусков коры планеты.
Мы обнаружили, что около 3 миллиардов лет назад субдуцированные плиты оставались более плотными, чем окружающая мантия, даже в переходной зоне, и с точки зрения плавучести нет никаких причин, по которым плиты должны там застревать. Вместо этого, они всегда должны проседать, что сегодня встречается гораздо реже», - говорит ведущий автор Бенджамин Кляйн, аспирант кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Похоже, это говорит о том, что в истории Земли произошли большие изменения с точки зрения того, как происходили процессы мантийной конвекции и тектонических плит».
Соавторы Кляйна - Оливер Ягуц, доцент EAPS, и Марк Бен из Океанографического института Вудс-Хоул.
Разница температур
«Существует открытый вопрос, когда в истории Земли действительно началась тектоника плит», - говорит Кляйн. «Существует общее мнение, что это, вероятно, происходило по крайней мере 3 миллиарда лет назад. Именно в это время большинство моделей предполагают, что Земля была самой горячей».
Около 3 миллиардов лет назад мантия была, вероятно, примерно на 150-200 градусов теплее, чем сегодня. Кляйн, Ягуц и Бен исследовали, влияет ли более высокая температура в недрах Земли на то, как тектонические плиты после субдукции перемещаются через мантию.
"Наша работа началась с мысленного эксперимента, чтобы сказать, если бы мы знали, что температура была намного выше, как это могло бы повлиять на то, как выглядела тектоника, не изменив ее целиком?" Клейн говорит. «Потому что дискуссия до этого была бинарным аргументом: либо была тектоника плит, либо ее не было, и мы предполагаем, что между ними больше места».
«Переворот плотности»
Команда провела свой анализ, сделав предположение, что тектоника плит действительно формировала поверхность Земли 3 миллиарда лет назад. Они пытались сравнить плотность погружавшихся плит в то время с плотностью окружающей мантии, разница в которой определяла бы, насколько далеко плиты должны были погрузиться.
Чтобы оценить плотность древних плит, Кляйн собрал большой набор данных из более чем 1400 ранее проанализированных образцов как современных пород, так и коматиитов - классических типов горных пород, которые существовали около 3 миллиардов лет назад, но больше не производятся сегодня.. Эти породы содержат большее количество плотного железа и магния по сравнению с современной океанической корой. Кляйн использовал состав каждого образца горной породы для расчета плотности типичной погружающейся плиты как в наши дни, так и 3 миллиарда лет назад.
Затем он оценил среднюю температуру современной и древней погружающейся плиты относительно температуры окружающей мантии. Он пришел к выводу, что расстояние, на которое погружается плита, зависит не только от ее плотности, но и от ее температуры по отношению к мантии: чем холоднее объект по отношению к окружающей среде, тем быстрее и дальше он должен тонуть.
Команда использовала термодинамическую модель, чтобы определить профиль плотности каждой погружающейся плиты или то, как ее плотность изменяется, когда она погружается в мантию, учитывая температуру мантии, которую они взяли из оценок других и модели температура плиты. Из этих расчетов они определили глубину, на которой каждая плита станет менее плотной, чем окружающая мантия.
В этот момент они предположили, что должен произойти «переворот плотности», так что плита не должна опускаться за эту границу.
«Кажется, существует критический фильтр и контроль над движением плит и, следовательно, конвекцией мантии», - говорит Кляйн.
Место последнего упокоения
Команда обнаружила, что их оценки того, где эта граница проходит в современной мантии - примерно в 670 километрах под поверхностью - согласуются с фактическими измерениями этой переходной зоны, сделанными сегодня, подтверждая, что их метод может также точно оценить древнюю Землю..
«Сегодня, когда плиты входят в мантию, они плотнее окружающей мантии в верхней и нижней мантии, но в этой переходной зоне плотности меняются местами», - говорит Клейн. «Таким образом, в этом небольшом слое плиты менее плотны, чем мантия, и счастливы оставаться там, почти плавая и застойные."
Для древней Земли 3 миллиарда лет назад исследователи обнаружили, что, поскольку древняя мантия была намного горячее, чем сегодня, а плиты намного плотнее, скачка плотности не произошло. Вместо этого погружающиеся плиты опустились бы прямо на дно мантии, установив место своего последнего упокоения прямо над ядром Земли.
Jagoutz говорит, что результаты показывают, что где-то между 3 миллиардами лет назад и сегодня, когда недра Земли остыли, мантия переключилась с однослойной конвекционной системы, в которой плиты свободно перетекали из верхних слоев мантии в нижние., к двухслойной конфигурации, где плитам было труднее проникнуть в нижнюю мантию.
«Это показывает, что когда планета начинает остывать, эта граница, даже если она всегда существует, становится значительно более глубоким фильтром плотности», - говорит Ягуц. «Мы не знаем, что произойдет в будущем, но теоретически возможно, что Земля перейдет от одного доминирующего режима однослойной конвекции к двухслойному. И это часть эволюции всей Земли."