Внешний слой Земли состоит из гигантских плит, которые соприкасаются друг с другом, скользя или погружаясь друг под друга, вызывая землетрясения и извержения вулканов. Эти плиты также разделяются на подводных горных хребтах, где расплавленная порода распространяется из центров океанических бассейнов.
Но так было не всегда. В начале земной истории планета была покрыта единственной оболочкой, усеянной вулканами - так же, как сегодня поверхность Венеры. Когда Земля остыла, эта оболочка начала складываться и трескаться, в конечном итоге создав земную систему тектоники плит.
Согласно новым исследованиям, переход к тектонике плит начался с помощью смазывающих отложений, соскребавшихся ледниками со склонов первых континентов Земли. По мере того как эти отложения собирались вдоль молодых береговых линий мира, они способствовали ускорению движения недавно образовавшихся разломов субдукции, когда более тонкая океаническая плита погружается под более толстую континентальную плиту.
Новое исследование, опубликованное 6 июня 2019 года в журнале Nature, впервые предполагает роль отложений в возникновении и эволюции глобальной тектоники плит. Майкл Браун, профессор геологии Мэрилендского университета, написал исследовательскую работу в соавторстве со Стефаном Соболевым, профессором геодинамики Немецкого исследовательского центра геонаук GFZ в Потсдаме.
Выводы показывают, что смазка отложений контролирует скорость, с которой земная кора измельчается и взбалтывается. Соболев и Браун обнаружили, что два основных периода мирового оледенения, которые привели к массивным отложениям отложений, очищенных от ледников, вероятно, вызвали последующее повышение глобальной скорости тектоники плит.
Последний такой эпизод последовал за «Землей-снежком», которая закончилась где-то около 635 миллионов лет назад, что привело к современной системе тектонических плит Земли.
«На Земле не всегда была тектоника плит, и она не всегда развивалась с одинаковой скоростью», - сказал Браун. «Он прошел по крайней мере два периода ускорения. Есть свидетельства того, что тектоника также замедлилась до относительного ползания почти на миллиард лет. В каждом случае мы обнаружили связь с относительным изобилием - или дефицитом - ледниковых отложений».
Так же, как машина нуждается в смазке, чтобы ее части могли свободно двигаться, тектоника плит работает более эффективно со смазкой. Хотя может быть трудно спутать песчаную консистенцию глины, ила, песка и гравия со скользкой смазкой, эффект в значительной степени такой же в континентальном масштабе, в океанских желобах, где встречаются тектонические плиты.
Та же динамика наблюдается при бурении земной коры. Вы должны использовать буровой раствор - очень мелкую глину, смешанную с водой или маслом, - потому что вода или масло сами по себе не работают», - сказал Браун. «Частицы бурового раствора помогают уменьшить трение на буровом долоте. Наши результаты показывают, что тектонические плиты также нуждаются в такой смазке, чтобы продолжать движение».
Предыдущие исследования на западном побережье Южной Америки впервые выявили взаимосвязь между смазыванием отложений и трением вдоль субдукционного разлома. У побережья северного Чили относительное отсутствие отложений в желобе разлома создает сильное трение, поскольку океаническая плита Наска погружается под континентальную плиту Южной Америки. Это трение помогло подтолкнуть самые высокие вершины центральных Анд к небу, когда континентальная плита сплющилась и деформировалась.
Напротив, южнее в траншее находится больше наносов, что приводит к меньшему трению. Это вызвало меньшую деформацию континентальной плиты и, следовательно, создало меньшие горные вершины. Но эти находки были ограничены одной географической областью.
В своем исследовании Соболев и Браун использовали геодинамическую модель тектоники плит, чтобы смоделировать влияние смазки отложений на скорость субдукции. Чтобы проверить свою гипотезу, они проверили корреляции между известными периодами широкомасштабного оледенения и ранее опубликованными данными, указывающими на наличие континентальных отложений в океанах и впадинах. Для этого шага Соболев и Браун опирались на две основные линии доказательств: химическую характеристику влияния континентальных отложений на химический состав океанов и индикаторы загрязнения отложений в вулканах, связанных с субдукцией, очень похожих на те, которые составляют сегодняшнее «кольцевое кольцо». огня вокруг Тихого океана.
Согласно анализу Соболева и Брауна, тектоника плит, вероятно, возникла на Земле между 3 и 2,5 миллиардами лет назад, примерно в то время, когда начали формироваться первые континенты Земли. Эти временные рамки также совпадают с первым континентальным оледенением планеты.
Серьезный подъем тектоники плит произошел тогда между 2,2 и 1,8 миллиардами лет назад, после другого глобального ледникового периода, когда огромное количество отложений было выброшено в желоба разломов на краях континентов.
В течение следующего миллиарда лет, от 1,75 миллиарда до 750 миллионов лет назад, наблюдалось глобальное снижение скорости тектоники плит. Этот этап земной истории был, сравнительно говоря, настолько уравновешенным, что среди геологов он получил прозвище «скучный миллиард».
Позже, после глобального оледенения «Земля-снежок», которое закончилось примерно 635 миллионов лет назад, крупнейшее событие поверхностной эрозии в истории Земли, возможно, стерло более вертикальной мили толщины с поверхности континентов. Согласно Соболеву и Брауну, когда эти отложения достигли океанов, они положили начало современной фазе активной тектоники плит.