Вчені пояснили, що послужило знищенню літосферних плит на Землі

Американські геологи перевірили, чи існує зв’язок між зіткненням прото-Землі з гіпотетичною планетою Тейя та першою субдукцією на Землі. Вчені побудували дво- та тривимірні моделі цього механізму, щоб відтворити умови давньої геодинаміки.

Велике питання геології Землі — чому тектонічні плити стикаються і наповзають одна на одну (геологи називають це субдукцією). Наша планета унікальна, тому що єдина в Сонячній системі має активну плитну тектоніку. Венера, наприклад, схожа на Землю масою, розміром, щільністю і навіть силою тяжіння (одночасно її називали сестрою Землі), але тектоніка там, найімовірніше, влаштована інакше, магматизм Венери внутрішньоплитний. Руху плит не спостерігають і на Марсі, іншій сусідній планеті земного типу.

Причини субдукції на Землі досі залишаються спірними — дослідники можуть судити про геодинаміку з давніх мінералів. Наприклад, аналіз цирконових порід із Західної Австралії показав, що формування земної кори почалося 4,35 мільярда років тому. Цікаво, що приблизно за 200 мільйонів років до цього прото-Земля зіткнулася з гіпотетичною планетою Тейя (втім, цю гіпотезу багато хто вважає застарілою), внаслідок чого утворився Місяць.

Існує припущення, що обидва ці процеси — модель формування Місяця та початок субдукції на Землі — взаємопов’язані. У цьому висловлювалися версії, що тектоніку плит викликав мантійний плюм чи удар великого космічного тіла.

Цього разу четверо американських геологів із Каліфорнійського університету вирішили перевірити, чи зіткнення з Теєю могло запустити першу земну субдукцію. Для цього вчені збудували двовимірну модель ранньої геодинаміки всієї мантії катархейського еону (4,567-4,031 мільярда років тому), а потім протестували механізм виникнення тектоніки плит на тривимірних моделях. Результати наукової роботи опубліковані в журналі Geophysical Research Letters .

Побудовані моделі торкаються періоду через 50 мільйонів років після застигання рідкого океану магми. Температура кордону «ядро — мантія», на думку авторів дослідження, була вищою, ніж зараз — не 3473-4573 кельвіна, а 5273 кельвіна (зону розігрів залізний осад від гіпотетичної Тейї). Такі умови можуть викликати часткове або повне плавлення у цьому шарі. Згідно з моделями, процес утворення субдукції відбувався в такий спосіб. Після удару Тейї про Землю частина гіпотетичної планети залишилася у вигляді двох великих областей з низькою швидкістю зсуву. Вони знаходяться на межі нижньої мантії та ядра.

У цих гігантських структурах за 99 мільйонів років після події зароджується мантійний плюм. Він піднімається до верхньої мантії (для простоти розуміння можна уявити краплі) і стає вузьким через низьку в’язкість. У міру наближення до літосферної товщі, що вже ущільнилася, плюм послаблює літосферу і через 109 мільйонів років, як випливає з моделювання, проникає в неї. Виникає високотемпературне, не дуже в’язке клиноподібне утворення. Через 123 мільйони років після удару цей клин розсуває літосферу та опускає її краї донизу, формуючи зони субдукції, які плити підтримують вже самостійно.

Проте подібний сценарій можливий за межі плинності літосфери у 80 мегапаскалів. При значенні в 100 мегапаскалів субдукція виникає лише з одного боку, а за 150 мегапаскалів плюми не можуть пробити літосферу. Також процес не запускається при низькій температурі межі «мантія — ядро»: він продовжується, доки не охолоне до ≥ 3773 кельвінів, але не відбувається при 3273 кельвінах.

Вчені перевірили цей механізм на кількох тривимірних моделях — він підтвердився, за винятком, що при межі плинності літосфери в 100 мегапаскалів субдукція не виникла. Так чи інакше, дослідники довели, що температура на кордоні «ядро — мантія» — ключова умова тектоніки плит на Землі. А розігрівається ця зона, в рамках моделювання авторів роботи, саме завдяки осадженню гіпотетичної ядра Тейї при зіткненні 4,5 мільярда років тому.